锂离子电池负极材料—碳化钙骨架碳的制备及改性研究

论文摘要

碳化物骨架碳是一种新型多孔碳材料,具有制备成本低、孔径分布窄、比表面积大、孔径大小可控和环保无毒等优点,广泛地用于气体储存、摩擦磨损和超级电容器等各个领域。本文首次将低温制备的碳化钙骨架碳作为锂离子电池负极材料,研究了制备温度对其电化学性能的影响,同时为了改善碳化钙骨架碳的电化学性能,分别对碳化钙骨架碳进行了锂掺杂和双氧水氧化处理,研究了改性对材料性能的影响。首先,以碳化钙为前躯体,二氧化锰和浓盐酸反应制备的新鲜氯气为刻蚀剂,在较低温下（400℃～700℃）制备碳化钙骨架碳（calcium carbide-derived-carbon,简称CCDC）,并研究了制备温度对CCDC性能的影响。实验结果表明,制备的CCDC为无定形多孔碳材料,随着制备温度从400℃上升至700℃,CCDC的比表面积由658 m2/g降至201 m2/g,平均孔径由3.766 nm增至3.842 nm。其中,600℃下制备的CCDC具有最佳的电化学性能,在0.1 C倍率下,首次充电比容量为335.4mAh/g,30次循环后比容量衰减为266.8 mAh/g。然后,为进一步降低CCDC的不可逆容量,提高它的电化学性能。分别以氢氧化锂和碳酸锂为锂源,对CCDC进行掺杂,研究了锉掺杂量对CCDC结构及电化学性能的影响。结果表明,锂的加入并不会明显改变CCDC的结构,但CCDC的首次不可逆容量明显下降,并且首次充电比容量明显有所提高。当掺杂氢氧化锂的质量分数为4%时,CCDC的充电比容量提高最多,在0.5 C倍率下为350.9 mAh/g,循环50次后充电比容量为266.7 mAh/g,容量保持率为76.0%；当掺杂碳酸锂的质量分数为2%时,CCDC的充电比容量提高最多,在0.5 C充放电倍率下为355.7mAh/g,循环50次后充电比容量为275.6 mAh/g,容量保持率为77.5%。最后,用双氧水为氧化剂对CCDC进行氧化,以达到提高CCDC充电比容量的目的。分别研究了双氧水浓度、氧化温度和氧化时间三个因素对双氧水氧化效果的影响。结果表明,采用2mol/L双氧水在60℃下氧化4h得到的CCDC具有最佳的电化学性能。处理后CCDC在0.5C倍率下首次充电比容量由氧化前的306.7mAh/g提高到347.4mAh/g,循环50次后,充电比容量保持在279.4mAh/g,容量保持率为80.5%。氧化处理后CCDC的电化学性能有所提高,主要与CCDC表面结构改变有关。氧化处理后,在CCDC表面生成大量微孔和锂离子通道,为锂离子在CCDC中嵌入/脱嵌提供更多的通道,同时也增加了CCDC的储锂位置；同时,在CCDC表面生成一层氧化物膜,这有利于CCDC形成较好的SEI膜,改善其电化学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池概述
• 1.1.1 锂离子电池的诞生及发展过程
• 1.1.2 锂离子电池结构及工作原理
• 1.2 锂离子电池负极材料的分类及研究进展
• 1.2.1 碳基负极材料
• 1.2.2 非碳基负极材料
• 1.3 碳负极材料的改性
• 1.3.1 引入非金属
• 1.3.2 引入金属
• 1.3.3 表面处理
• 1.4 碳化物骨架碳的研究进展与应用
• 1.4.1 碳化物骨架碳的研究进展
• 1.4.2 碳化物骨架碳的应用
• 1.5 本课题意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 实验方法与原理
• 2.1 实验仪器与实验药品
• 2.1.1 主要实验仪器与设备
• 2.1.2 主要实验药品
• 2.2 材料表征
• 2.2.1 X射线衍射分析
• 2.2.2 扫描电镜分析
• 2.2.3 粉末红外分析
• 2.2.4 透射电镜分析
• 2.2.5 孔隙结构分析
• 2.3 材料的电化学性能测试
• 2.3.1 电极制备
• 2.3.2 扣式模拟电池的组装
• 2.3.3 电池充放电测试
• 2.3.4 交流阻抗测试
• 第3章 制备温度对碳化钙骨架碳性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料的制备
• 3.3 物相分析
• 3.4 形貌分析
• 3.5 电化学性能测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 锂掺杂对碳化钙骨架碳性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 氢氧化锂掺杂对CCDC性能的影响
• 4.2.1 材料的制备
• 4.2.2 物相分析
• 4.2.3 形貌分析
• 4.2.4 电化学性能测试
• 4.3 碳酸锂掺杂对CCDC性能的影响
• 4.3.1 材料的制备
• 4.3.2 物相分析
• 4.3.3 形貌分析
• 4.3.4 电化学性能测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 氧化剂对碳化钙骨架碳性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 双氧水浓度的选择
• 5.3.2 反应温度的选择
• 5.3.3 反应时间的选择
• 5.3.4 最佳氧化条件下CCDC的性能分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间公开发表的论文
• 个人简历