锂离子电池负极材料—天然石墨改性研究

论文摘要

锂离子电池是可充式的绿色二次电源,其具有高的质量能量密度和体积能量密度、放电电压高且稳定、工作温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、零记忆效应以及环保、无公害等优点。目前锂离子电池主要以石墨材料作为负极材料,其性能提升空间大,本文研究了天然石墨改性对其充放电性能及循环稳定性的影响。本论文主要研究机械处理、双氧水氧化改性、锂盐处理及包覆改性等对作为锂离子电池负极材料的天然石墨性能的影响。利用X射线衍射法（XRD）和扫描电镜图（SEM）对改性后的天然石墨材料的微观结构进行了分析；采用电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安、恒电流充放电等测试方法对所制材料进行了系统的电化学研究。天然石墨经球磨（球形化处理）后,石墨层发生了剥离和卷曲,经粉碎后,石墨层完全断裂。球形化和粉碎石墨提高了天然鳞片石墨材料的嵌锂能力,首次可逆容量由天然石墨的177.5mAh·g-1分别提高到了289.5mAh·g-1和228.9mAh·g-1,其中球形石墨循环效率最好,20次容量保持率可达到80.7%。天然石墨经双氧水氧化改性,提高了材料的性能,8%浓度双氧水氧化天然石墨的首次放电容量可达到318.6mAh·g-1,其为负极也具有良好的循环性能,20次循环后的容量保持率从天然石墨的76.5%提高到80.8%。氧化石墨再经5%Li2CO3处理后,20次容量保持率提高到91.6%。锂盐处理可以降低天然石墨电极首次循环过程中的不可逆容量损失,提高电极的可逆容量。交流阻抗分析表明,一定量的锂盐有助于形成锂离子迁移性良好的SEI膜。对天然石墨进行聚乙二醇包覆改性,通过电化学性能测试确定600℃下合适的包覆时间为6h,包覆可以减少电解液溶剂对石墨材料的嵌入,聚乙二醇6h包覆量的石墨材料首次放电容量为311.6mAh·g-1,在循环20次之后可逆容量仍可达到287.5 mAh·g-1,循环效率达到92.2%。采用化学镀的方法在天然石墨的表面镀覆金属镍,镀镍后电荷传递阻抗减小,天然石墨的反应活性大大提高。在天然石墨表面化学镀镍质量分数8%时的可逆放电容量最大,20次容量保持率为91%,5%镍包覆材料20次容量保持率最高,可达到92.1%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 锂离子电池
• 1.2.1 锂离子电池的组成
• 1.2.2 锂离子电池的特点
• 1.2.3 锂离子电池的分类及原理
• 1.3 锂离子电池国内外发展状况
• 1.4 负极材料的研究进展
• 1.5 天然石墨的改性方法
• 1.5.1 表面氧化处理
• 1.5.2 表面包覆改性
• 1.5.3 掺杂改性处理
• 1.6 本论文研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验仪器与试剂
• 2.2 微观结构分析
• 2.2.1 扫描电子显微镜分析
• 2.2.2 X射线衍射分析
• 2.3 锂离子电池的组装
• 2.3.1 电极的制备工艺
• 2.3.2 电池的组装
• 2.4 锂离子电池的测试
• 2.4.1 实验锂离子电池结构
• 2.4.2 锂离子电池的性能测试
• 第3章 机械处理对天然石墨的影响
• 3.1 引言
• 3.2 天然石墨的球磨和粉碎处理
• 3.3 机械处理对天然石墨的结构影响
• 3.3.1 机械处理天然石墨SEM分析
• 3.3.2 机械处理天然石墨XRD分析
• 3.4 机械处理对石墨电极的电化学性能影响
• 3.4.1 石墨电极的循环伏安
• 3.4.2 石墨电极的电化学阻抗（EIS）
• 3.4.3 石墨电极首次充放电
• 3.4.4 循环性能测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 氧化和锂盐改性天然石墨的研究
• 4.1 引言
• 4.2 氧化和锂盐改性天然石墨的制备
• 4.2.1 双氧水氧化改性天然石墨的制备
• 4.2.2 氧化和锂盐复合改性天然石墨的制备
• 4.3 双氧水氧化天然石墨
• 4.3.1 双氧水氧化天然石墨SEM分析
• 4.3.2 双氧水氧化天然石墨XRD分析
• 4.3.3 不同浓度双氧水氧化天然石墨首次充放电
• 4.3.4 氧化天然石墨的循环性能
• 4.4 氧化和锂盐复合改性天然石墨
• 4.4.1 氧化和锂盐复合改性天然石墨SEM分析
• 4.4.2 氧化和锂盐复合改性对天然石墨嵌脱锂性能的研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 包覆改性天然石墨的研究
• 5.1 引言
• 5.2 包覆改性天然石墨的制备
• 5.2.1 聚乙二醇热解炭包覆天然石墨材料的制备
• 5.2.2 镍包覆天然石墨材料的制备
• 5.3 聚乙二醇包覆天然石墨
• 5.3.1 聚乙二醇包覆天然石墨SEM分析
• 5.3.2 聚乙二醇包覆天然石墨XRD分析
• 5.3.3 包覆石墨的循环性能
• 5.3.4 包覆石墨不同充放电电流密度下循环性能
• 5.4 镍包覆天然石墨
• 5.4.1 镍包覆天然石墨SEM分析
• 5.4.2 镍包覆天然石墨XRD分析
• 5.4.3 包覆石墨的循环特性
• 5.4.4 包覆石墨电化学阻抗
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢