锂离子二次电池石墨负极材料的改性研究

摘要

本文概述了锂离子电池的工作原理、发展现状、应用前景和负极材料的研究概况，重点介绍了石墨负极材料的物化性质，电化学行为及其存在的问题和改性的方法。在此基础上，探索石墨负极材料几种绿色、简单、有效的改性方法，旨在提高天然石墨的比容量和循环性能，并研究了改性石墨的结构、形貌和电化学性能。 以K2FeO4为氧化剂对天然石墨进行了液相氧化，研究了处理溶液的pH值和温度对其表面处理改性效果的影响。发现两个系列氧化石墨样品的比容量都有不同程度的提高，且可逆容量呈向上的抛物线形，分别在pH=7和80℃时获得了较好电化学性能的样品，其中以pH=7、80℃条件下处理的样品性能最优，可逆容量可达363mAh/g，接近了石墨的理论比容量。经氧化处理后改性石墨的电化学性能明显提高，这与改性石墨表面结构的改变有关。氧化处理后，石墨表面生成了许多微孔和微通道，为充放电过程中需要脱嵌的锂离子提供了嵌入和脱出的通道，并且增加了石墨的存储锂的位置；其次氧化处理会在石墨表面生成一层含氧基团的化合物，使嵌脱锂离子的石墨的端面部位形成优良的SEI膜，从而更有效地保护石墨电极，改善其电化学性能；另外，残留在石墨层间Fe元素和处理后石墨石墨化程度的提高都有益于改性石墨电化学性能的改善。 以SnCl2和Na2CO3溶液为反应液，将液相沉淀生成的锡基氧化物包覆在石墨材料表面进行改性，并研究改性石墨样品的结构和电化学性能之间的关系。研究结果表明，经过包覆的石墨表面附着上了一层SnO2，形成了复合型的材料。SnO2负极材料具有较高的容量(500mAh/g)，但在脱嵌锂的过程中容易因内部体积变化而引起材料结构破坏，导致容量衰减迅速，循环性能较差。SnO2-graphite的复合材料减弱了双方各自的缺点，同时又叠加各自可逆容量，使改性石墨材料获得了更好的充放电性能和循环过程中的结构稳定性。复合后的改性石墨可逆容量随着SnO2量的加大而上升，最高包覆量的样品比容量可达421mAh/g，甚至超过了石墨的理论容量。复合型的石墨材料在比容量上具有较大的优势，且制备的方法简单方便，有实际应用的潜力。 对天然石墨进行化学镀锡，用单质金属Sn对石墨表面包覆处理，同样可以提高天然石墨的充放电容量和循环性能。表面包覆的金属Sn可以覆盖石墨表面的活性位点，减少电解液的作用，其次金属Sn可以提供较大的Li+扩散系数，降低石墨电极反应的电荷转移电阻和Li+在石墨材料中的固相扩散电阻，从而减少石墨的容量衰减，改进其循环性能。从循环性能曲线可以看出，改性后的镀锡石墨虽然可逆容量没有得到很大提高，但是循环性能保持很好，在50次循环之后容量仍旧基本没有衰减。不过该方法仍然有待改进，以便取得更好的效果。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

第二章实验内容与测试方法

第三章绿色氧化剂K2FeO4对石墨的氧化改性

第四章天然石墨包覆SnO2的改性研究

第五章天然石墨化学镀锡的改性研究

第六章总结与展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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