碳纳米纤维用作锂离子二次电池负极材料的研究

论文摘要

随着社会的发展,锂离子二次电池对充放电容量、充放电循环性能的要求越来越高。负极材料的选取对锂离子二次电池的性能有极大的影响,因此高比容量、高稳定性的负极材料的研制是锂电池研究领域的热点之一。碳纳米纤维及其复合材料是目前锂电池负极材料研究方向的一个分支。静电纺丝法制备的碳纳米纤维具有密度低、比表面积大、导电性能好、结构缺陷少等一系列优势,其作为锂离子二次电池负极材料拥有广阔的应用前景。本文将分子量为1,300,000的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解在无水乙醇中,配制成质量分数为8%的PVP溶液作为电纺溶液,采用静电纺丝法,在室内湿度低于30%,纺丝速度为0.8 mL/h、电纺电场约为1.9 kV/cm、接收距离为13 cm的电纺实验条件下制备了大量连续、直径尺寸较小且沿长度方向均匀的PVP聚合物纳米纤维。经过大量实验和相关测试,确定了PVP聚合物纳米纤维退火过程中的预氧化时间、预氧化温度、炭化时间、炭化温度等退火参数。实验结果表明:PVP纳米纤维只有在150℃经过24小时的预氧化,并在280℃经过2小时的预氧化,才能形成具有耐热稳定结构的纤维,得到预氧化程度较好的预氧化毡。只有预氧化程度较好的预氧化毡在高温炭化后才能保持纤维的形态,得到直径在100 nm～200 nm之间且纤维形态保持良好的碳纳米纤维。采用热重分析（TGA）、差示扫描量热分析（DSC）、傅里叶变换红外吸收光谱分析（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射分析（XRD）和激光拉曼光谱（LRS）等测试表征了各种退火参数对预氧化纤维和碳纳米纤维的形貌、结构及物相的影响。测试结果显示,聚合物纤维经过预氧化完成了环化反应、吸热反应、氧化反应等物理化学反应,形成了具有耐热稳定结构的纤维;在一定温度范围内,纤维的炭化程度随着炭化温度的升高和炭化时间的延长而增大。将不同退火条件下制备的碳纳米纤维作为正极,以锂片为对电极,以1 mol/L的LiPF6/EC+DMC+EMC（体积比1:1:1）为电解液,制备成了钮扣式电池,在室温下使用高精度电池检测仪测试了这些电池的电容量和循环稳定性能。测试条件为:充放电电压区间为0.1 V2.0 V和0.1 V2.5 V,充放电速率为0.2 C,采用恒流充放电方式进行测试。测试结果显示:经过150℃预氧化24小时,再经过360℃预氧化2小时的预氧化毡在800℃下炭化2小时得到的碳纳米纤维的充放电性能最佳,碳纳米纤维首次可逆放电电容量最高可达1254 mAh/g,循环30次后放电电容量为首次放电电容量的65%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子二次电池的发展
• 1.2 锂离子二次电池负极材料的研究现状
• 1.3 常见炭负极材料
• 1.3.1 石墨类碳负极材料
• 1.3.2 焦碳
• 1.3.3 中间相炭微球
• 1.3.4 低温热解硬炭材料
• 1.3.5 碳纳米纤维
• 1.4 碳负极材料的嵌锂机理
• 1.4.1 锂-石墨插层化合物的嵌锂机理
• 1.4.2 SEI 膜的成膜机理
• 1.4.3 低温热解硬碳材料的嵌锂机理
• 1.5 选题背景与研究内容
• 1.5.1 选题背景
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 静电纺丝法制备PVP 聚合物纳米纤维
• 2.1 静电纺丝法简介
• 2.1.1 静电纺丝工艺的常用装置
• 2.1.2 静电纺丝工艺的理论研究
• 2.1.3 静电纺丝技术的应用
• 2.1.4 静电纺丝技术存在的问题
• 2.2 PVP 聚合物纳米纤维的制备
• 2.2.1 实验用品与仪器
• 2.2.2 纺丝流程
• 2.2.3 电纺工艺参数对电纺纤维影响的研究
• 2.2.4 电纺溶液的制备
• 2.2.5 电纺参数的确定
• 2.3 表征样品的测试方法的确定
• 2.3.1 热重分析（TGA）
• 2.3.2 差示扫描量热分析（DSC）
• 2.3.3 傅里叶变换红外吸收光谱分析（FT-IR）
• 2.3.4 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.6 激光拉曼光谱（LRS）
• 2.4 本章小结
• 第3章 预氧化纤维的制备与表征
• 3.1 PVP 预氧化纤维的制备
• 3.2 PVP 预氧化纤维的表征与分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 碳纳米纤维的制备与表征
• 4.1 碳纳米纤维的制备
• 4.2 碳纳米纤维的表征与分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 碳纳米纤维电池的制备与性能测试
• 5.1 电池的制备
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 预氧化条件对电池性能的影响
• 5.2.2 炭化条件对电池性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
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