超级电容电池正极与负极材料的研究

论文摘要

超级电容电池是一种兼具高能量密度与高功率密度的新型储能器件,它主要通过双电层电容与锂离子嵌/脱两种方式进行“双功能”储能,结合了锂离子电池和双电层电容器两者的优点,成为近年来研究的热点之一。本论文以超级电容电池用、具有双功能储能特性的锰酸锂（LMO）、人造石墨（AG）和活性炭（AC）为原料,采用物理混合的方法制备了锰酸锂/活性炭复合正极材料和人造石墨/活性炭复合负极材料,分别研究了复合材料在1M LiPF6-EC/DMC/EMC有机体系电解液中的电化学行为,以及活性炭对复合材料的电容特性和大电流充放电性能的影响；并对活性炭在锂离子电池用电解液中可能发生的电化学反应进行了较为深入的研究,论文的主要研究如下：（1）研究了活性炭的物理特性及在不同电压范围的电化学性能。在0.01-2.0V、2.0-3.5V和3.0-4.3V电压范围,活性炭都表现出典型的双电层特性,其首次可逆容量分别为210.7、25.3和50.2 mAh/g。在0.01-2.0V范围内,活性炭的首次放电过程包括SEI膜的形成与双电层储能,第二周及之后的充电曲线呈明显的直线,未表现出脱/嵌锂平台,证实了在锂离子电池电解液中活性炭表现出双电层电容储能特性,而非活性炭的脱嵌锂储能特性。（2）研究了锰酸锂/活性炭和人造石墨/活性炭的物理特性及电化学性能。结果表明：充放电电位在3.0-4.3V时,锰酸锂表现为Li+的脱嵌锂储能,而复合材料则同时具有脱/嵌锂特性和电容特性,且电容特征随活性炭含量的增加而变得明显。人造石墨/活性炭复合负极材料的质量比为4：1时的电化学性能最优；复合材料的倍率性能及大电流充放电性能较纯人造石墨有明显的改善。在2A/g的大电流放电条件下的极化较纯人造石墨的极化得到明显的改善,充电时间延长了近2倍,充电平台起始电压降低了约0.2V。（3）研究了复合材料中活性炭的含量与活性炭引起的电容容量大小之间的关系,结果表明：复合正极材料A1、A2和A3在3.0-3.8V电压范围的放电容量都是由活性炭提供的,活性炭所提供的法拉第电容容量分别为23.4、64.4和99.0 F/g；3.8-4.3 V间,活性炭所提供的法拉第电容容量分别为27.1、67.7和80.6 F/g；复合负极材料B1、B2和B3在0.25-2V之间,活性炭所提供的法拉第电容容量分别为57.7、129.9和204.0 F/g,活性炭产生的法拉第电容容量呈典型的线性增长,这与活性炭双电层电容器中活性炭的双电层特征一致。（4）采用恒电位阶跃法测定了锂离子在复合负极材料中的扩散系数。结果表明：锂从人造石墨中脱出时的扩散速度随着嵌锂量的减少而降低。锂离子在复合负极材料中的扩散系数均随着活性炭含量的增大而增大,锂离子在复合负极材料中的扩散系数比纯人造石墨中的大,加入活性炭的复合材料的大倍率充放电性能较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池
• 1.2.1 锂离子电池的组成
• 1.2.2 锂离子电池常用的电极材料
• 1.2.3 锂离子电池的工作原理
• 1.2.4 锂离子电池的特点
• 1.3 双电层电容器
• 1.3.1 双电层电容器的组成
• 1.3.2 双电层电容器常用的电极材料
• 1.3.3 双电层电容器的工作原理
• 1.3.4 双电层电容器的特点
• 1.4 超级电容电池
• 1.4.1 超级电容电池的概念
• 1.4.2 超级电容电池的研究概况
• 1.4.3 超级电容电池的优点和应用前景
• 1.5 课题的研究目的和意义
• 第二章 实验内容和研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂和仪器
• 2.3 材料的表征与物理特性测试
• 2.3.1 形貌表征
• 2.3.2 X射线衍射分析
• 2.3.3 粒径分析
• 2.4 电化学性能研究
• 2.4.1 电极的制作与扣式电池的组装
• 2.4.2 扣式电容器的制作
• 2.4.3 电池充放电性能研究
• 2.4.4 循环伏安研究
• 2.4.5 交流阻抗研究
• 2.4.6 计时电位法
• 2.4.7 扩散系数的测定
• 第三章 活性炭在超级电容电池中的行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 活性炭的物理特性
• 3.3 活性炭在不同电压范围的电化学行为
• 3.3.1 循环伏安行为分析
• 3.3.2 充放电性能
• 3.3.3 交流阻抗性能
• 3.3.4 循环和倍率性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 正极复合材料锰酸锂/活性炭的性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料的物理特性
• 4.2.1 锰酸锂的物理特性
• 4.2.2 复合材料的物理特性
• 4.3 材料的电化学性能
• 4.3.1 锰酸锂充放电性能
• 4.3.2 复合材料的充放电性能
• 4.3.3 倍率性能
• 4.3.4 循环性能
• 4.3.5 循环伏安行为
• 4.3.6 交流阻抗行为
• 4.4 本章小结
• 第五章 负极复合材料人造石墨/活性炭的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料的物理特性
• 5.2.1 人造石墨的物理特性
• 5.2.2 复合材料的物理特性
• 5.3 材料的电化学性能
• 5.3.1 石墨的充放电性能
• 5.3.2 复合材料的充放电性能
• 5.3.3 交流阻抗行为
• 5.3.4 循环伏安行为
• 5.3.5 倍率性能
• 5.4 锂离子在电极材料中的扩散系数
• 5.4.1 恒电位阶跃法测定锂在复合材料中扩散系数的基本原理
• 5.4.2 荷电状态对扩散系数的影响
• 5.4.3 锂离子在复合材料中的扩散系数
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文