碳凝膠復(fù)合材料的鋰電性能研究.pdf

1、鋰離子電池是當(dāng)今社會(huì)微型電子設(shè)備最主要的儲(chǔ)能裝置，并且應(yīng)用愈加廣泛，發(fā)揮著越來越重要的作用，但是電池容量較小限制了它的發(fā)展，鋰電池性能的改善主要取決于電極材料的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分的控制。本文探究了以碳凝膠為基體改善鋰離子電池負(fù)極材料性能和鋰硫電池正極材料性能的方法，通過碳凝膠與氧化物及單質(zhì)硫的復(fù)合，改善碳凝膠復(fù)合材料的鋰電循環(huán)穩(wěn)定性、庫倫效率與倍率性能，分析碳凝膠復(fù)合材料鋰電性能改善的微觀機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.以間苯二

2、酚(R)和甲醛(F)為前驅(qū)體，無水碳酸鈉(C)為催化劑，通過凝膠老化方法合成出三種結(jié)構(gòu)的碳凝膠(CA)。調(diào)節(jié)R與C的比例，制備了R∶C為500、1000、1500的三種碳凝膠材料的比表面積分別為669、483、398 m2g-1;電化學(xué)性能測(cè)試表明，在50 mAg-1電流密度下，首次放電容量分別為1753、715、509mAhg-1，均高于石墨的理論容量，以RC=500所得的CA容量是石墨理論容量的五倍，經(jīng)過50次循環(huán)后，電池可逆容量穩(wěn)

3、定在470、250、270 mAhg-1。CA高的鋰電容量主要?dú)w因于其較高的比表面積和介孔結(jié)構(gòu)。
　　 2.采用溶液浸漬法合成出納米Co3O4顆粒均勻分布于CA的復(fù)合材料:Co3O4-CA。為改善CA不可逆容量較高以及純Co3O4容量損失嚴(yán)重問題，以性能較優(yōu)的CA(RC=500)作為基體，以Co(NO3)2·6H2O為鈷源合成復(fù)合材料，得到Co3O4納米顆粒大小約5 nm，在CA基體中分布均勻，含量為15、25、35 wt％的C

4、o3O4-CA復(fù)合材料。循環(huán)伏安和恒流充放電測(cè)試結(jié)果表明，在50 mAg-1電流密度下首次放電容量分別可達(dá)1698、1797、2043 mAhg-1，經(jīng)過50次循環(huán)后，氧化鈷含量為25 wt％的復(fù)合材料的電池可逆容量能夠穩(wěn)定保持在770 mAgh-1以上。復(fù)合材料鋰電性能的顯著提高主要?dú)w因于二者的協(xié)同效應(yīng)、具有大比表面積與三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的CA基體為Co3O4提供了體積膨脹的緩沖空間、高度分散的納米Co3O4可有效降低CA不可逆活性點(diǎn)、Co

5、3O4本身提供大量可逆活性點(diǎn)。
　　 3.采用溶液浸漬法合成出四方尖晶石結(jié)構(gòu)的ZnMn2O4與碳凝膠的復(fù)合材料:ZnMn2O4/CA。為充分利用ZnMn2O4材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量高、無毒、價(jià)格低廉、電壓平臺(tái)較低等優(yōu)勢(shì)，避免純ZnMn2O4材料由于體積變化和低導(dǎo)電性能帶來的容量急劇下降，以CA為導(dǎo)電基體和體積變化的緩沖基體，制備四種不同含量ZnMn2O4/CA復(fù)合材料。進(jìn)行循環(huán)伏安和充放電測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在100 mAg-1的電流密度

6、下CA，四種ZnMn2O4/CA復(fù)合物以及純ZnMn2O4首次放電容量分別為1463、1548、1722、1660、1688、1177 mAhg-1，50次循環(huán)后含量25、35和50 wt％電極可逆容量分別展現(xiàn)700、780、820 mAhg-1的高容量，遠(yuǎn)高于CA的410 mAhg-1和純ZnMn2O4的280 mAhg-1。
　　 4.以低溫融滲法合成鋰硫電池正極材料，CA負(fù)載單質(zhì)硫的CA/S復(fù)合材料。單質(zhì)硫熔點(diǎn)較低，在14

7、9℃下將硫融化滲入到CA微孔中去，然后300℃加熱揮發(fā)表面多余硫，通過控制高溫?fù)]發(fā)時(shí)間得到含量為18、27、35 wt％的CA/S復(fù)合材料，分析表征顯示硫均勻分散在CA微孔中。通過循環(huán)性能和倍率性能測(cè)試與分析，表明CA/S作為鋰硫電池正極材料在0.2 C(335 mAg-1)電流密度下經(jīng)過50次循環(huán)后，硫含量為27 wt％的復(fù)合材料電池具備良好鋰硫電池性能，可逆容量能夠穩(wěn)定保持在750 mAhg-1以上，即使在3.2 C(5360 mA