关键词： 锂电池   负极材料   生物质炭   复合材料   分级多孔结构   冷冻干燥   模板法  

摘要： 21世纪以来,随着便携式电子设备及动力电池的迅猛发展,开发能量及功率密度更高、尺寸小、重量轻、成本和循环寿命长的锂离子电池具有重要的意义。作为锂离子电池的重要部件,目前商业的石墨负极材料由于理论比容量低(372 mAh g-1),已无法满足高能量、高功率密度的要求。因此,发展高性能、低成本的负极材料成为迫切需要解决的问题之一。近年来,具有可再生、可持续及来源广泛等优势的天然生物质资源被广泛应用于制备生物质衍生碳及其复合材料,并展现出高比容量、优异的循环和倍率性能。然而,受限于生物质成分组成复杂及固有微观形貌结构,生物质衍生碳的灵活性以及与其他活性材料多样性组合的能力较差,限制了其储锂性能的进一步提升。因此,结构灵活、组合多样的生物质碳基材料的制备对推动低成本、高性能锂电池负极材料的研究与应用具有重要的意义。本论文以生物质碳基材料的构筑及其储锂性能为研究主题,主要开展了如下三个工作:(1)生物废弃物的处理和回收利用对环境保护和可持续发展具有重要意义。以生物废弃物蛋壳膜为原料,采用“吸附碳化”的方法,原位制备C纤维负载纳米FeS的复合材料。作为锂离子电池负极材料,C纤维的交织结构可以提高导电性,抑制FeS纳米粒子在循环过程中的聚集和体积膨胀。复合材料在0.2 A g-1电流密度下循环100次后保持503.5 mAhg-1的可逆容量,并且表现出良好的倍率性能。更为重要的是,这个方法可以进一步拓展以用于合成各种各样的碳/金属硫化物复合材料。(2)为实现生物质碳材料结构的灵活设计,采用液态胶质的蛋清蛋白为前驱体,氯化钠为模板,采用冷冻干燥和碳化相结合的方法合成了分级多孔炭材料。通过改变氯化钠的浓度,调节蛋白质的盐溶和盐析状态,从而控制多孔碳的分级结构、表面积和孔径分布。结果表明,该材料呈现内含立方介孔的三维蜂窝状网络,比表面积高达1745.64m2g-1。作为锂离子电池的负极材料,在0.2Ag-1下100次循环后具有1131 mAhg-1的可逆容量,具有良好的倍率性能,在10Ag-1的高电流密度下1000次循环后具有553 mAhg-1的可逆容量。这为制备具有优良电化学性能的高性能多孔碳材料提供了一条环保、低成本的途径。(3)在本文第四章的研究基础上,发展了一种生物质碳/过渡金属氮化物复合材料的原位氮化制备方法。在冷冻干燥前驱体中引入Fe3+源,高温碳化过程中蛋清蛋白质中的含氮氨基酸分解产生NH3,与体系中的Fe3+反应生成纳米Fe3N,同时蛋白质中的碳源经高温转变成碳材料,水洗去除NaCl模板后获得纳米Fe3N嵌入于分级多孔碳中的C/Fe3N复合材料。该材料用于锂离子电池负极材料,具有优异的电化学性能,在电流密度为0.2 A g-1时,经过150次循环后容量仍保持为1007 mAhg-1,同时在5A g-1的电流密度下,经过1500个循环,可逆容量达444.8mAh g-1,表明其在高电流密度下具有优异的长循环稳定性。这种新的合成方法具有很好的灵活性,且能实现生物质炭与过渡金属氮化物多样性组合,为实现锂离子电池负极材料的低成本、绿色合成提供了一个新的思路。

关键词： 热等离子体法   纳米硅粉   锂电池负极材料   硅碳复合材料  

摘要： 纳米硅粉应用范围广泛,在太阳能光伏、发光二极管、生物医疗等领域的应用已日趋成熟。同时,由于硅的储锂容量高,安全性良好,纳米硅粉应用在锂电池负极材料领域发展潜力巨大。随之而来的便是其巨大的产量缺口,而传统的制备工艺普遍存在生产效率低、能耗大、产品质量难以控制等问题。实验以工业硅粉为原料,用热等离子体法来制备纳米硅粉,对纳米硅粉制备所用原料以及制取工艺进行了进一步探索,为制备纳米硅粉的扩大实验积累了实验数据。实验的工艺路线为:对工业硅粉进行球磨至微米级,送入直流(DC)热等离子体炉后收集到产物。之后将其溶于无水乙醇中,经振荡分离得到纯度较高的纳米硅粉,并对其用等离子增强气相沉积(PECVD)法进行了改性,以得到电化学性能良好的纳米硅碳复合材料。实验利用了X射线粉晶衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、扫描透射电镜(STEM)、比表面积测定仪(BET)、新威电池测试系统等分析测试手段,研究了制得纳米硅粉的物相组成、微观形貌、基本物理性质、电化学性能等。实验探究了热等离子体法制备纳米硅粉过程中各工艺参数对纳米硅粉在形貌、粒径、氧化程度等方面的影响,总结出了各工艺参数对纳米硅粉的影响规律。并且对制得的纳米硅粉进行了循环充放电测试,以海藻酸钠为粘结剂,负极活性物质、导电剂、粘结剂按质量比6:2:2的比例混浆时,组装的扣式半电池在0.2 C的电流密度下其首次放电容量可达2325 mAh/g,经50次循环后,容量维持在了850 mAh/g。经PECVD法在纳米硅粉表面沉积了碳膜,制得了硅碳复合材料,该复合材料首次放电容量达到了2663 mAh/g,经50次循环后,容量维持在了925mAh/g,改性后的纳米硅粉的首次放电比容量和循环稳定性均有所提高。

关键词： 镁热还原   反应程度   SiOx包覆   负极材料   锂离子电池  

摘要： 随着新能源行业的不断发展,电动汽车的使用越来越普遍,这必然引起对其续航能力的更高要求,因此对高储能密度的锂离子电池的要求也越来越高。就现行商用锂离子电池而言,正极材料容量提升空间有限,广泛应用于锂电池负极的石墨已无法满足行业对高储能密度的需求,而Si在室温下的理论容量为3580 mAh·g-1,是石墨(372 mAh·g-1)的近十倍,而且其放电电位较低,元素地球丰度高,而且对环境友好,必然会成为新一代高储能密度的新型锂离子电池负极材料之一。然而,Si负极在Li+脱/嵌过程中承受巨大的相变体积膨胀（300%）,致使在充放电过程中硅颗粒破碎,组织坍塌,活性物质层与集流体剥离,从而失去电接触,在充放电过程中的循环稳定性能迅速劣化;此外,Si颗粒破碎裸露出的新鲜表面会持续消耗电解液中的Li+形成新的固体电解质界面膜（SEI）,综合造成Si负极在电化学服役中性能较差。为了解决以上问题,科研工作者设计各种纳米结构缓冲Si的体积膨胀,但相应的带来较高的工艺和设备成本,而且纳米化的设计会带来Si的堆积密度降低,在Si负极的应用中储能密度不高。镁热还原制备多孔纳米Si的低成本工艺为研究者制备Si负极材料开拓了思路。然而镁热还原法制取Si的产率不高,而且反应过程中易出现副产物,极大地影响Si作为电极的应用。基于Si负极目前仍存在的问题,本课题使用气相法白炭黑（SiO2纳米颗粒,FS）作为Si的前驱体进行镁热还原制备纳米Si。对镁热还原法制备纳米Si的理论指导下的实际操作进行工艺优化,减少副产物以提高Si的反应程度,完善镁热还原机理,提高Si收率。通过球磨工艺探索构造包裹模型提高镁热还原反应程度的同时提高还原Si材料的堆积密度。通过对缓冲材料SiOx的包覆比例的探索增强电极材料的循环稳定性。通过以上工艺制备出的复合材料作为电极在1 A·g-1的电流密度下循环500次仍有83%的容量保持率,Si复合电极的循环寿命得到有效地改善。主要的研究结果如下:（1）提高镁热还原的混合均匀性缩短Mg和SiO2反应路径,使Mg更有效的参与SiO2的转化,能显著减少副产物Mg2Si和Mg2SiO4的产生;优化反应容器能明显减低Mg蒸汽的逸出。两者结合能明显提高镁热还原的反应程度,提高Si收率。综合得出镁热还原优化的工艺条件为:nSiO2:nMg=1:2.5,低速球磨混合后在660oC下保温4 h。（2）在SiOx包覆的过程中,随着SiOx包覆比例的增加,存在先成纤维后成膜的生成机制,而Si/SiOx/C负极的容量呈下降趋势,但是循环稳定性明显提高,损失容量的同时换来循环稳定性的提高。（3）SiOx包覆的最优比例为HSiO1.5:Si=1:5。这是因为Si表面同时存在大量纤维环绕和SiOx包覆层,形成三维纤维和SiOx联合包覆网络,使Si/SiOx/C复合材料得到结构固化和强化,在容量损失不大的同时呈现出较好的循环稳定性。（4）球磨混合形成包裹模型以及镁热还原后的酸蚀能明显提高Si的堆积密度,进而提高Si/SiOx/C负极的储能密度。

关键词： 石墨烯   锂电池   负极材料  

摘要： 针对当前在各行业中广泛使用的锂电池,在简述常用石墨烯制备方法的基础上,对其在锂电池负极材料中的应用进行深入分析,提出优势与需要注意的问题,为后续推广应用提供参考借鉴.

关键词： 锂电池   负极材料   四氧化三铁微球   形貌   电化学性能  

摘要： 采用混合溶剂热法制备了锂电池负极材料用四氧化三铁微球,对比分析了实心和中空四氧化三铁微球的显微形貌和电化学性能。结果表明,采用二乙二醇溶液和二乙二醇-聚乙二醇混合溶液可以分别制备四氧化三铁微球,前者为实心、后者为中空;中空四氧化三铁微球尺寸分布较为均匀,尺寸约为450 nm,单个微球晶格间距为0.25 nm;中空四氧化三铁微球充放电比容量远远大于四氧化三铁理论比容量;从循环50次容量保持率来看,实心和中空四氧化三铁微球容量保持率分别为6.5%和47%,中空四氧化三铁微球具有更好的循环稳定性。

关键词： 气纺丝   锂离子电池   负极材料   纳米线   氧化物复合碳纤维   电化学性能  

摘要： 用气纺丝法制备了氧化物复合碳纤维材料的前驱体,并通过惰性气氛800℃高温处理得到氧化物复合碳纤维纳米线。通过扫描电镜对所制得的纳米碳纤维进行显微结构分析,重点考察其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明:CF-Sn O_2-Co_3O_4碳纤维作为负极主材组装的电池具有最佳的充放电性能,初次放电容量可达到1490 m Ah/g,50次循环后比容量保持在599 m Ah/g,电化学阻抗最小,倍率性能最好。因此,CF-Sn O_2-Co_3O_4碳纤维有希望成为一种性能优良的锂电池负极新材料。

关键词： 三氧化二铁   锂离子电池   电池性能   喷雾干燥法  

摘要： 开发锂离子电池的重要方向之一是寻找合适的电极材料,以保证锂离子电池的高能量密度、比容量及较好的导电性和循环性能。此研究工作针对纳米Fe_2O_3的缺陷,采用喷雾干燥法将其制备成微米级Fe_2O_3,同时结合Ag包覆以提高电池性能,这为将来如何提高电池导电循环性能、导锂能力,进而延长循环寿命提供了一定价值的研究依据。

关键词： 酚醛树脂   包覆   Fe3O4@C纳米核壳型微球   锂电池负极材料  

摘要： 以酚醛树脂为炭前驱体、水热法合成的Fe_3O_4纳米微球为核,经研磨、干燥、炭化制备Fe_3O_4@C纳米核壳型微球。结果表明,包覆后的Fe_3O_4@C微球尺寸均匀且无团聚现象。碳包覆量影响着Fe_3O_4@C锂电池负极材料的电化学性能。20%为最佳包覆量,其首次放电比容量为984 mA·h/g,100次循环后放电比容量保持在413 mA·h/g。

关键词： 生产基地   负极材料   锂电池   投资   金   新能源材料  

摘要： 2017年12月12日，四川德阳金士能新能源材料有限公司的10万t锂电池负极材料项目生产基地正式开工。“迈出了第一步，心里踏实多了。”

关键词： 锂电池   负极   复合材料   电化学性能  

摘要： 为制备一种高效、便捷的锂电池负极用复合材料,本文采用新颖的水热高温混合法成功合成了以V3O7·H2O@C纳米带为锂电池负极用复合材料,并对所得到的样品做了详细的XRD、SEM、TEM等表征,以及相应的电化学性能测试。