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氟化碳材料制备及其锂电池应用研究

作　者: 陈彦芳
导　师: 封伟
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 多壁碳纳米管 氟化 锂电池 倍率性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文以氟化石墨(fluorinated graphite,F-Graphite)作为锂电池正极材料的活性物质,将其组装成扣式电池并测试了其恒流放电性能。在0.1 mA cm-2小电流密度放电时其具有高的比容量(800 mAh/g),比能量(1883 mWh/g)和工作电压平台(2.65 V)等。但在1C高倍率放电时氟化石墨锂电池综合性能明显下降。同时开展了提高氟化石墨锂电池在大倍率放电情况下放电性能的研究。首先,采用多壁碳管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNT)作为导电剂材料可以明显提高电池倍率性能,并提出了导电剂选择原则。另外采用物理掺杂方法,如掺入金属氧化物、金属、导电聚合物等。最后通过测试电池在不同的温度下的放电性能,发现其在20℃~60℃时电池比容量和电压平台均有很大提升,且提出电解液选择原则。采用高温气相法合成了氟化多壁碳管(fluorinated multi-walled carbon nanotubes, F-MWCNT)将其作为锂电池正极并组装成扣式电池,测试不同倍率放电性能,发现与氟化石墨锂电池相比其在0.1C~1C倍率放电时均具有更高的比容量、比能量以及电压平台等。最后对导电剂选择为多壁碳管提升电池综合性能进行了相关的理论分析,讨论了氟化碳管的氟碳比与碳管结构破坏程度的内在联系,理论计算出锂离子在氟化多壁碳管中的扩散系数要大于氟化石墨。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-26
  1.1 前沿  8
  1.2 锂电池一般性能与化学原理  8-11
  1.3 锂电池正极材料  11-14
    1.3.1 锂/二氧化硫电池  11-12
    1.3.2 锂/亚硫酰氯电池  12
    1.3.3 锂/二氧化锰电池  12-13
    1.3.4 锂/五氧化二钒电池  13
    1.3.5 锂/一氟化碳电池  13-14
  1.4 氟化石墨锂电池正极材料研究进展  14-19
    1.4.1 氟化石墨制备方法  14-16
    1.4.2 氟化石墨结构、性质及应用  16-19
    1.4.3 氟化石墨作为锂电池正极材料的优缺点  19
  1.5 氟化碳纳米管锂电池正极材料研究进展  19-24
    1.5.1 碳纳米管性质及应用  19-21
    1.5.2 氟化碳纳米管制备方法  21-23
    1.5.3 氟化碳纳米管结构、性质及应用  23-24
    1.5.4 氟化碳纳米管作为锂电池正极材料优缺点  24
  1.6 课题的提出  24-26
第二章 F-Graphite正极材料锂电池的性能测试与分析  26-50
  2.1 实验仪器与材料  26-27
    2.1.1 实验仪器  26
    2.1.2 实验材料  26-27
  2.2 实验步骤  27-28
    2.2.1 F-Graphite正极材料制备工艺  27
    2.2.2 F-Graphite锂电池装配工艺  27
    2.2.3 F-Graphite锂电池电化学性能测试  27-28
  2.3 F-Graphite物理性能表征与分析  28-31
    2.3.1 傅里叶红外光谱分析  28
    2.3.2 X射线光电子能谱分析（XPS）  28-29
    2.3.3 微观形貌分析  29-30
    2.3.4 X射线衍射分析  30-31
    2.3.5 振实密度  31
  2.4 F-Graphite正极材料锂电池的性能测试分析  31-36
    2.4.1 基于不同组分含量F-Graphite锂电池恒流放电性能  31-33
    2.4.2 基于优势配比F-Graphite锂电池恒流放电性能  33-36
  2.5 掺杂不同物质对F-Graphite锂电池性能影响分析  36-37
  2.6 不同导电剂材料对F-Graphite锂电池性能影响分析  37-45
    2.6.1 微观形貌分析  37-38
    2.6.2 恒流放电性能对比分析  38-45
  2.7 F-Graphite锂电池的高低温工作性能  45-48
    2.7.1 恒流放电性能  45-47
    2.7.2 交流阻抗分析  47-48
  2.8 本章小结  48-50
第三章 F-MWCNT正极材料锂电池的性能测试与分析  50-66
  3.1 实验仪器与材料  50-51
    3.1.1 实验仪器  50
    3.1.2 实验材料  50-51
  3.2 实验步骤  51-53
    3.2.1 多壁碳管的前期处理  51
    3.2.2 高温气相法制备F-MWCNT工艺  51-52
    3.2.3 高温固相法制备F-MWCNT工艺  52
    3.2.4 F-MWCNT锂电池装配以及电化学性能测试  52-53
  3.3 气相法制备F-MWCNT物理性能表征与分析  53-56
    3.3.1 能谱分析  53-54
    3.3.2 傅里叶红外光谱分析  54
    3.3.3 XPS分析  54-56
    3.3.4 振实密度  56
  3.4 固相法制备F-MWCNT物理性能表征与分析  56-59
    3.4.1 热重分析  56-57
    3.4.2 能谱分析  57-59
    3.4.3 傅里叶红外光谱分析  59
  3.5 气相法制备F-MWCNT电化学性能分析  59-65
    3.5.1 不同倍率放电性能  59-63
    3.5.2 交流阻抗分析  63-65
  3.6 本章小结  65-66
第四章 碳管在锂电池中应用的相关理论研究  66-71
  4.1 碳管作为优势导电剂的理论研究  66-67
  4.2 由F-MWCNT氟碳比理论推导其结构研究  67-69
  4.3 F-MWCNT与F-Graphite作为活性物质扩散系数计算  69-70
  4.4 本章小结  70-71
第五章 全文总结  71-72
参考文献  72-78
发表论文及科研情况说明  78-79
致谢  79

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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