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碳、ZnO/碳多孔微球制备及其在锂离子电池负极上的应用研究

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1 绪 论

1.1引 言

1.2锂离子电池的理论基础

1.2.1锂离子电池的发展历程

1.2.2锂离子电池的基本工作原理

1.2.3锂离子电池产业快速发展的内在原因

1.2.4锂离子电池的发展趋势

1.3碳负极材料

1.3.1石墨类材料

1.3.2软碳材料

1.3.3硬碳材料

2碳微球的制备及性能研究

2.1仪器与表征

2.2碳微球的制备及结构表征

2.2.1原料与药品

2.2.2碳微球的制备

2.2.3碳微球的表征

2.2.4用bet法测孔径分布规律

2.3碳微球的性能

2.3.1碳微球电极材料的制备

2.3.2碳微球的电化学性能

3加入氧化锌后碳微球的制备及性能研究

3.1氧化锌作为负极材料的性能研究

3.1.1制备

3.1.2结构表征

3.1.3电化学性能

3.2加入氧化锌的碳微球的制备及结构特征

3.2.1实验步骤

3.2.2结构表征

3.3氧化锌-碳微球电化学性能测试

3.3.1氧化锌-碳微球电极材料的制备

3.3.2氧化锌-碳微球的电化学性能

3.4氧化锌包覆碳微球的制备与表征

3.4.1氧化锌包覆碳微球的制备

3.4.2氧化锌包覆碳微球的表征

4总结与展望

4.1工作总结

4.2研究展望

4.2.1锂-氧电池

4.2.2锂-生物电池

参考文献

致谢

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摘要

锂离子电池是上世纪90年代后投放市场的新一代绿色环保电池。它因为电压高、自放电率低、体积小、重量轻、无记忆效应等独特性能被广泛应用于便携式电器以及电动汽车中。而锂离子电池负极材料是制约其整体性能的关键因素之一。早期的锂离子电池所采用的负极材料几乎都是碳/石墨材料,但由于碳/石墨第一次充放电时,会在碳表面形成钝化膜,造成容量损失;而且碳的电极电位与锂的电位很接近,当电池过充时,金属锂可能在碳电极表面析出,形成枝晶而引发安全问题,且容量较低。因而需要研究开发新型高能锂离子电池负极材料。 硬碳是指高温下也难以石墨化的碳材料,主要是高分子化合物的热解碳。用于制备硬碳的原料种类很多,常见的主要有:糖、聚偏氟乙烯(PVDF)、酚醛环氧树脂、聚氟乙烯、聚糖醇树脂、棉布等。使用硬碳作为锂离子电池负极材料具有一些突出的优点:(1)它具有倾斜而不是像石墨类材料那样平坦的充放电曲线,这样就可以根据充放电曲线的电压推算电池的容量从而便于电池的管理,这对动力电池尤为有利;(2)硬碳材料结构稳定,循环性能好;(3)硬碳材料与PC基电解液相容性较好,因而可以在较低温度下工作;(4)原材料廉价易得,成本低廉。由于硬碳材料的这些优点,使得硬碳材料在动力型锂离子电池负极材料方面受到人们重视。 本文主要研究了利用水热法制备多孔碳微球和氧化锌/硬碳复合多孔微球,分析其结构与形貌,测试其在锂离子电池应用中的电化学性能。具体内容如下: 第二章介绍了以葡萄糖晶体作为原料,利用水热法制备多孔碳微球,分别用XRD、SEM、TEM及BET法对多孔碳微球的晶相、成分和形貌进行了表征、分析。将多孔碳微球制备成锂离子电池电极材料测试其电化学性能,发现多孔碳微球作为负极材料,具有较好的循环特性,容量衰减相对较缓慢,循环可逆性较好,但是还是存在着容量较低的问题。 第三章首先采用水热法制备了ZnO一维纳米材料并对ZnO一维纳米材料的电化学嵌锂性能进行了初步研究,发现ZnO作为负极材料,首次充放电电容量较高,可达到1090 mAh·g-1,但循环性能不好,循环10次后,就很快衰减到200 mAh·g-1左右。接着介绍了利用葡萄糖及Zn(CH3COO)2作为原料,采用水热法制备复合ZnO-硬碳多孔微球,研究其电化学性能发现,经过6次循环后,其比容量维持在350mAh·g-1,比碳微球比容量有所改善;在6次循环后,其比容量衰减相对较缓慢,循环性能比纯ZnO材料有很大提高。 综上,我们利用水热法分别制备了多孔碳微球、ZnO一维纳米材料、复合Zn0-碳微球作为锂离子电池的负极材料,方法和设备简单,反应条件温和,成本较低,而且易于控制,可大量合成。复合ZnO-碳微球作为锂离子电池的负极材料,综合硬碳材料的高稳定性的优点和氧化物高比容量的优点,通过抑制氧化物的膨胀来提高锂离子电池的综合性能。

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