石墨制品废料用作锂离子电池负极活性材料的研究

论文摘要

为了考察某电炭厂石墨制品废料用作锂离子电池（LIB）负极活性材料的可行性，将其原试样进一步进行了不同最高热处理温度(HTTmax)的热处理。用试样的密度、灰分含量和XRD图谱表征了试样的微观结构。用恒电流充、放电实验考察了试样的充、放电性能。据此讨论了试样的微观结构与宏观电化学性能的关系，确定了最佳热处理工艺制度。结合恒电流充、放电实验、粉末微电极循环伏安实验和FTIR分析考察了具有良好贮锂结构的XT-28试样与六种不同电解液的相容性。采用正交法通过恒电流充、放电实验考察了XT-28试样的粒度、炭膜中导电剂乙炔黑和粘结剂PTFE的含量以及充、放电电流密度等因素对其充、放电性能的影响。采用粉末微电极循环伏安实验估测了在最佳实验条件下XT-28试样的循环性能。实验结果表明： 1．采用“从室温升温至2400℃时，边加热边抽真空”的热处理制度有利于除去试样中部分杂质，但要将试样内妨碍锂离子在其中扩散的杂质SiC和铁-渗碳体（Fe3C）除去，HTTmax必须不低于2800℃。从节能观点出发，最佳HTTmax应为2800℃，XT-28为最佳试样，其第三循环放电容量（D3）为330.2mAh／g、充、放电效率（η3）为97.5％。 2．XT-28试样在六种不同电解液中首次充电时，试样颗粒表面形成了固体电解质中间相（SEI）膜，其主要成份均为碳酸锂。EC基电解液在试样颗粒表面发生的还原反应比较缓和，能够形成薄而致密的、只允许锂离子通过的SEI膜；而PC基电解液在试样颗粒表面发生的还原反应比较激烈，形成的SEI膜厚而不均匀、锂离子难以通过。 3．由正交试验结果可知，XT-28试样在1mol／L LiClO4／EC+DEC（1：1）电解液中进行恒电流充、放电时，试样的粒度（A）、炭膜中导电剂乙炔黑的含量（B）、炭膜中粘结剂PTFE的含量（C）以及充、放电电流密度（D）等因素对第三循环放电容量D3及充、放电效率η3影响的大小顺序均为：B＞D＞A＞C。但对D3的影响（极差R=23.1～37.3mAh／g）远大于对η3的影响（极差R=0.3～1.2％）。上述四个因素的最佳水平组合为A2B3C2D2：即试样粒度为水平2（-325目），炭膜中乙炔黑含量为水平3（6％），PTFE含量为水平2（5％），充、放电电流密度为水平2（15mA／g）。采用这一组合时D3≥338.7mAh／g，η3≥96.1％。 4．粉末微电极循环伏安实验表明XT-28试样的循环性能很好，当进行到第500循环时，其放电容量为第60循环最大放电容量的72.22％，充、放电效率为93.35％。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池（LIB）发展概况
• 1.2 LIB负极活性材料的研究现状
• 1.2.1 炭材料
• 1.2.2 含碳化合物
• 1.2.3 非炭材料
• 1.3 论文研究背景
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 实验用仪器、设备、材料及实验方法
• 2.1 实验仪器和设备
• 2.2 锂盐和有机溶剂
• 2.3 粘结剂、导电剂、隔膜和锂箔
• 2.4 试样的制备
• 2.4.1 原试样制粉
• 2.4.2 试样的热处理
• 2.4.3 炭膜的制备
• 2.5 电解液的配制
• 2.6 试样密度、灰分含量的测定及粒度分析
• 2.6.1 试样密度的测定
• 2.6.2 试样中灰分含量的测定
• 2.6.3 试样粒度的分析
• 2.7 试样电化学性能的测试
• 2.7.1 恒电流充、放电实验
• 2.7.2 粉末微电极循环伏安实验
• 2.8 试样的粉末X射线衍射（XRD）图谱分析
• 2.9 试样表面SEI膜的傅立叶红外光谱分析（FTIR）
• 第3章 热处理工艺制度对试样微观结构及充、放电性能的影响
• max对试样微观结构及充、放电性能的影响'>3.1 HTT_max对试样微观结构及充、放电性能的影响
• max对试样微观结构的影响'>3.1.1 HTT_max对试样微观结构的影响
• max对试样充、放电性能的影响'>3.1.2 HTT_max对试样充、放电性能的影响
• 3.2 热处理过程前段采取真空热处理方法的必要性
• 3.2.1 真空热处理对试样微观结构的影响
• 3.2.2 真空热处理对试样密度的影响
• 3.2.3 真空热处理对试样充、放电性能的影响
• 3.3 小结
• 第4章 XT-28试样与电解液的相容性
• 4.1 XT-28试样在不同电解液中的充、放电性能
• 4.2 XT-28试样在不同电解液中的循环伏安特性
• 4.3 XT-28试样在不同电解液中所形成SEI膜的FTIR光谱分析
• 4.4 小结
• 第5章 其他因素对XT-28试样用作锂离子电池负极活性材料时充、放电性能的影响
• 5.1 各种因素对试样充、放电性能的影响
• 5.1.1 试样粒度对其本身充、放电性能的影响
• 5.1.2 导电剂用量对试样充、放电性能的影响
• 5.1.3 粘结剂用量对试样充、放电性能的影响
• 5.1.4 充、放电电流密度对试样充、放电性能的影响
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 正交表及其因素水平的选取
• 5.2.2 实验结果
• 5.2.3 实验结果分析
• 5.3 小结
• 第6章 XT-28试样循环性能的估测
• 6.1 循环伏安法估测试样循环性能的原理
• 6.2 实验结果
• 6.3 分析与讨论
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间发表的学术论文