锂离子电池负极纳米碳复合材料的制备与性能研究

论文摘要

锂离子电池作为一种新型的高能电池在性能提高方面仍有很大的空间,而负极材料性能的提高是其中的关键。碳基复合材料用于锂离子电池负极材料方面的研究已经取得了一定的进展,包括碳的金属或金属氧化物复合材料、碳表面镀聚合物及改性纳米碳管等。本文以砂糖为原料,将砂精加热离心制成纤维状,经低温焙烧碳化,高温焙烧碳化,采用高能球磨法制备炭纳米纤维（CNF）,再以CNF作为载体制备MnO2/C锂离子电池负极材料。并对MnO2/C进行物理和电化学表征,与未载入MnO2的CNF电极材料性能进行比较。再以砂糖作为碳源,采用简单、低成本方法一次合成了碳包覆SnO2的SnO2/C复合负极材料。通过SEM、TEM和XRD测试可以看出,通过离心拉丝的方法制备的CNF样品颗粒小于砂糖样品。CNF的形貌更加均匀,比表面积也大于砂糖样品。载体CNF上MnO2颗粒的粒径在30nm左右,分布比较均匀,SnO2粒径约10-20nm。循环伏安测试也表明由于砂糖纤维制备的碳具有较高的比表面积,所以显现出更大的电容。MnO2/C负极材料采用循环伏安法研究,电容明显大于未添加MnO2的碳纤维。说明此方法可以使碳较均匀包裹金属氧化物,并可以同时提高两者的比表面积,减小粒径,显现出良好的电化学性能。将SnO2/C复合材料作为负极材料组装模拟电池进行了电化学性能测试。测试表明碳包覆纳米SnO2作为负极材料使电池的电化学性能有明显改善,可以有效抑制充放电循环中锡的体积膨胀,从而提高循环稳定性和比容量,表现出较高的库伦效率和循环稳定性。本文利用价格低廉,无污染的砂糖作为前驱体,把碳同储锂量高的金属氧化物制备成碳复合电极材料,并对其进行物理表征和电化学测试。结果表明碳包覆金属氧化物复合材料应用于锂离子电池负极达到高充放电效率,高循环性能,同时满足了低成本的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 概述
• 1.2 锂离子电池简介
• 1.3 锂离子电池的工作原理
• 1.4 锂离子电池负极材料
• 1.4.1 软碳
• 1.4.2 硬碳
• 1.4.3 石墨材料
• 1.4.4 改性石墨
• 1.4.5 纳米碳质材料
• 1.4.6 纳米碳管
• 1.4.7 纳米炭纤维
• 1.4.8 金属氧化物
• 1.4.9 金属电极材料
• 1.5 负极材料研究的新方向
• 本章小结
• 第二章 砂糖制备碳纤维与性能测试
• 2.1 实验方案与思路
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及药品
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 表征与测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 CNF的热重分析
• 2.3.2 CNF的扫描电镜分析
• 2.3.3 CNF的透射电镜分析
• 2.3.4 CNF的电化学分析
• 本章小结
• 2/C负极材料的制备与表征测试'>第三章 MnO₂/C负极材料的制备与表征测试
• 3.1 实验方案与思路
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器和试剂
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 表征与测试
• 3.3 结果与讨论
• 2/C的热重分析'>3.3.1 MnO₂/C的热重分析
• 2/C的XRD分析'>3.3.2 MnO₂/C的XRD分析
• 2/C的扫描电镜分析'>3.3.3 MnO₂/C的扫描电镜分析
• 2/C的透射电镜分析'>3.3.4 MnO₂/C的透射电镜分析
• 2/C的电化学分析'>3.3.5 MnO₂/C的电化学分析
• 本章小结
• 2/C负极材料的制备与表征测试'>第四章 SnO₂/C负极材料的制备与表征测试
• 4.1 实验方案与思路
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器和试剂
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 表征与测试
• 4.3 结果与讨论
• 2/C的扫描电镜分析'>4.3.1 SnO₂/C的扫描电镜分析
• 2/C的透射电镜分析'>4.3.2 SnO₂/C的透射电镜分析
• 2/C的XRD分析'>4.3.3 SnO₂/C的XRD分析
• 2/C的电池性能测试'>4.3.4 SnO₂/C的电池性能测试
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢