液态丙烯腈低聚物包覆石墨锂离子电池负极材料的研究

作     者：胡超 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘剑洪

授予年度：2015年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：石墨 液态丙烯腈低聚物 包覆 表面氧化 

摘      要：本课题利用一种聚合物碳化后的类石墨烯材料对石墨负极材料进行包覆,并通过X-粉末衍射仪,扫描电镜,透射电镜,拉曼光谱,热重分析仪和电化学充放电测试对样品进行一一表征和分析。分别研究了保温时间,烧结温度,液态丙烯腈低聚物的含量对石墨负极材料一系列性能的影响。取得的成果如下;1.研究液态丙烯腈低聚物(LPAN)的烧结温度对其电化学性能的影响。首先对LPAN进行了TG分析,其目的是为了找到LPAN的碳化温度区间。在此温度区间内烧结后,对样品进行XRD和Raman光谱分析,以此确定碳材料的基本性质。最后用不同烧结温度得到的碳材料组装电池,并进行电化学性能测试。综合以上工作,发现液态丙烯腈低聚物经过一定温度烧结后得到的碳材料呈现类石墨烯结构。2.研究高纯度石墨材料的基本性质和作为锂离子电池负极材料的电化学性能。通过XRD分析,可以计算出其层间距doo2=0.3630nm。通过扫描电子显微镜的表征,可以清晰观察到该石墨材料具有标准的石墨片层结构。石墨负极材料使用不同粘结剂时,在经过首次循环后的极片上会形成不同表面形貌的SEI膜。且在使用海藻酸钠(SA)作为粘结剂时,极片上形成的SEI膜较为均匀,这样更有利于提高电池的首次库伦效率。经过电化学性能测试后,使用海藻酸钠作为粘结剂时,高纯度石墨的首次库伦效率为85%,比容量为40OmAh/g。3.研究液态丙烯腈低聚物包覆石墨改性的包覆量、烧结温度和保温时间。通过TEM、SEM和XRD的表征,确认了液态丙烯腈低聚物可以均匀地包覆在石墨表面,提升石墨层状结构的稳定性。相比于纯石墨负极材料,10%的液态丙烯腈低聚物包覆石墨后在1000℃C下保温4h所得到的石墨基锂离子电池负极材料在电流密度为0.1C、0.5C、1.0C、3.0C和5.0C情况下,其比容量分别为490mAh/g、450mAh/g.400mAh/g、3 10mAh/g以及230mAh/g。且经过包覆后,石墨负极材料的首次库伦效率有所提升,纯石墨负极材料的首次库伦效率为85%,而液态丙烯腈包覆石墨负极材料的首次库伦效率为88%。300次循环后的比容量依旧可以稳定在490mAh/g。4.研究了气相和液相氧化方法对石墨进行表面氧化后所产生的影响和变化。通过TG分析,确定了对石墨进行气相表面氧化的温度应低于550℃C,当温度高于550℃C时,石墨会快速失重。后通过TEM、XRD、SEM和EDS分析,说明表面氧化可以改变石墨的表面形貌,使石墨的含氧量增。并且由于表面氧化的温度较低,可以使石墨的氧化程度介于普通石墨和氧化石墨之间。通过Raman光谱分析,可以解释SEM照片中破碎的石墨微片,通过计算D峰和G峰的强度比,可以分析出石墨的缺陷程度,而经过350℃氧化后的石墨材料缺陷程度较大。最后经过电化学性能测试,可以得出结论,对石墨进行表面氧化,无论何种氧化方法,均对石墨材料的首次库伦效率和比容量有所改善。5.主要探究了将表面氧化和液态丙烯腈包覆两种方法同时应用于石墨负极材料的改性时,能对石墨基锂离子电池负极材料的电化学性能产生何种变化。不难发现,液态丙烯腈低聚物包覆石墨后,能使其循环性能和倍率性能有所提升;而表面氧化则可以提升石墨负极材料的首次库伦效率和比容量。将石墨负极材料进行表面氧化和包覆改性后,首次库伦效率、循环性能和倍率性能均呈现了上升趋势。该负极材料在保留液态丙烯腈低聚物包覆石墨锂离子电池负极材料的较好的倍率性能和循环稳定性的前提下,在一定程度上提升了比容量。该负极材料在电流密度为01C、0.5C、1.0C、3.0C和5.0C情况下的比容量分别是51OmAh/g、405mAh/g、400mAh/g、250mAh/g和180mAh/g。首次库伦效率为91%,首次比容量为510mAh/g。经过300次循环后,比容量基本可以维持在510mAh/g。与纯石墨负极材料相比,比容量和首次库伦效率均有一定提升。