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洋葱状碳纳米颗粒/SnO_2复合锂离子电池负极材料的制备及性能

作　者: 张慧娟
导　师: 宋怀河
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 锂离子电池负极洋葱状碳纳米颗粒二氧化锡复合材料
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

锂离子电池因具有工作电压高、比能量高、无污染等突出优点成为移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的理想电源,并有望成为未来电动汽车、无绳电动工具等的主要动力来源之一,具有广泛的民用和国防应用前景。锂离子电池的电化学性能主要取决于所用电极材料和电解质材料的结构和性能,尤其是电极材料的选择和质量直接决定着锂离子电池的特性和价格。负极材料是影响锂离子电池性能的关键之一,针对目前锂离子电池炭负极材料在高倍率充放电时具有较大容量衰减和较低可逆容量的问题,本论文首先制备了粒径在40nm左右的纳米中空洋葱碳颗粒(Onion-like hollow carbon nanoparticles, OC),通过对它的进一步处理得到了石墨化中空洋葱碳颗粒(Graphitized onion-like hollow carbon nanoparticles, GOC)和膨胀石墨化中空洋葱碳(Expanded graphitized onion-like hollow carbon nanoparticles, EGOC)。然后以这些炭材料作为锡和锡氧化物的缓冲阻隔材料制备了新型锡氧化物／炭复合材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、热重差示扫描(TG-DSC)对复合材料进行表征。采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和交流阻抗(ElS)等方法对其电化学性能进行测试和分析,系统考察了炭材料的形貌、结构与其电化学性能的相关性。这对拓宽新型炭材料的研究领域和促进高性能锂离子电池负极材料的发展有重要的理论和现实意义。研究结果表明：缓冲材料的原料种类、制备方法、制备条件和锡含量对复合材料的形貌、结构及电化学性能均产生很大影响。在优化条件下,中空球形结构的OC和GOC作缓冲材料时,50次循环后,其复合材料可逆容量能分别保持在446 mAh/g和495mAh／g,较大电流密度下充放电时仍具有较高的可逆容量和良好循环性能。含有大量石墨片层的EGOC作缓冲材料时,电极的容量稳定在518mAh/g,同时显示优异的循环性能。以上复合材料的电化学结果均表明OC、GOC和EGOC是锡基负极的良好缓冲材料,因为它们既能保证复合材料的高的导电性,又能有效阻隔锡氧化物之间的团聚,有利于抑制体积膨胀,提高循环稳定性。

全文目录

学位论文数据集  4-5
摘要  5-7
ABSTRACT  7-16
第一章绪论  16-28
  1.1 前言  16
  1.2 锂离子电池的简介  16-19
    1.2.1 锂离子电池的工作原理  16-17
    1.2.2 锂离子电池的关键构成  17
    1.2.3 锂离子电池正极材料  17-18
    1.2.4 锂离子电池电解液  18
    1.2.5 锂离子电池负极材料  18-19
  1.3 炭负极材料  19-21
    1.3.1 石墨化炭  19-20
    1.3.2 非石墨化炭  20-21
  1.4 锡和锡氧化物/炭复合材料  21
  1.5 洋葱状碳纳米颗粒  21-23
    1.5.1 洋葱状碳纳米颗粒的发现  21-22
    1.5.2 洋葱状碳纳米颗粒的制备及纯化方法  22
    1.5.3 本实验室对洋葱状碳纳米颗粒制备的研究  22-23
  1.6 锂离子电池负极充放电的影响控制因素  23-25
    1.6.1 材料种类  23-24
    1.6.2 颗粒大小  24
    1.6.3 电极表面电阻  24
    1.6.4 电极导电性  24-25
  1.7 本课题的选题依据和主要研究内容  25-28
    1.7.1 论文选题的目的和意义  25-26
    1.7.2 本课题的主要研究内容  26-28
第二章实验与测试分析方法  28-36
  2.1 实验所用原料及设备仪器  28-30
    2.1.1 实验所用原料及试剂  28-29
    2.1.2 主要设备与仪器  29-30
  2.2 实验方法  30-31
    2.2.1 洋葱碳(OC)的制备  30-31
    2.2.2 石墨化洋葱碳(GOC)的制备  31
  2.3 表征方法  31-33
    2.3.1 透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)  31-32
    2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)  32
    2.3.3 X射线衍射测试(XRD)  32
    2.3.4 热重--示差扫描同步热分析(TG-DSC)  32-33
  2.4 电化学性能测试与分析  33-36
    2.4.1 电极的制备及模拟电池的组装  33
    2.4.2 恒流充放电性能测试  33
    2.4.3 循环伏安测试  33-34
    2.4.4 交流阻抗测试  34
    2.4.5 交流阻抗谱图模拟  34-36
第三章洋葱碳/SnO_2复合材料的制备及其电化学性能  36-50
  3.1 引言  36
  3.2 洋葱碳的预处理  36-37
  3.3 酚醛树脂为原料的洋葱碳  37-43
    3.3.1 不同炭化温度下OC的形貌  38
    3.3.2 OC/SnO_2复合材料的制备及表征  38-41
    3.3.3 OC/SnO_2复合材料的电化学性能  41-43
  3.4 炭黑为原料的洋葱碳  43-47
    3.4.1 OC/SnO_2复合材料的制备及表征  43-45
    3.4.2 OC/SnO_2复合材料的电化学性能  45-47
  3.5 小结  47-50
第四章石墨化洋葱碳/SnO_2复合材料的制备及其电化学性能  50-62
  4.1 引言  50
  4.2 石墨化洋葱碳(GOC)的表征  50-52
    4.2.1 GOC的形貌  50-51
    4.2.2 XRD分析  51-52
  4.3 GOC/SnO_2复合材料的制备、表征及电化学性能  52-58
    4.3.1 GOC/SnO_2复合材料的制备  52
    4.3.2 GOC/SnO_2复合材料的表征  52-55
    4.3.3 GOC/SnO_2复合材料的电化学性能  55-58
  4.4 GOC/Sn复合材料的制备及表征  58-60
    4.4.1 GOC/Sn复合材料的制备  58
    4.4.2 GOC/Sn复合材料的表征  58-59
    4.4.3 GOC/Sn复合材料的电化学性能  59-60
  4.5 小结  60-62
第五章膨胀石墨化碳洋葱(EGOC)/SnO_2复合材料的制备及其电化学性能  62-76
  5.1 引言  62-63
  5.2 EGOC及SnO_2/EGOC复合材料的制备及表征  63-69
    5.2.1 EGOC的制备  63
    5.2.2 SnO_2/EGOC复合材料的制备  63-64
    5.2.3 材料的表征  64-69
  5.3 膨胀石墨化碳洋葱及其复合材料的电化学性能  69-74
    5.3.1 充放电曲线  69-70
    5.3.2 循环性能  70-71
    5.3.3 交流阻抗分析  71-74
  5.4 小结  74-76
第六章结论  76-78
参考文献  78-82
致谢  82-84
研究成果及发表的学术论文  84-86
导师和作者简介  86-87
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  87-88

洋葱状碳纳米颗粒/SnO_2复合锂离子电池负极材料的制备及性能

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