鋁離子電池正極碳材料的研究

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1、碩士學位論文鋁離子電池正極碳材料的研究STUDYONCARBONCATHODEMATERIALSFORALUMINUM-IONBATTERIES彭鵬哈爾濱工業(yè)大學2017年12月國內(nèi)圖書分類號：TB332學校代碼：10213國際圖書分類號：577密級：公開工學碩士學位論文鋁離子電池正極碳材料的研究碩士研究生：彭鵬導師：邱業(yè)君副教授申請學位：工程碩士學科：材料工程所在單位：深圳研究生院答辯日期：2017年12月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學ClassifiedIndex:TB332U.D.C:577DissertationfortheMasterDegreeinEngineering

2、STUDYONCARBONCATHODEMATERIALSFORALUMINUM-IONBATTERIESCandidate：PengPengSupervisor：A.Prof.QiuYejunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘

3、要21世紀人類面臨著能源和環(huán)境兩大挑戰(zhàn)，因此開發(fā)新一代高效清潔的可再生新能源是實現(xiàn)人類社會高效和可持續(xù)發(fā)展的必然要求。由于鋰電池存在鋰資源稀缺，以及高成本和安全性等問題，因此作為下一代超高容量電池的可充放電鋁離子電池，引起了關注和研究。鋁離子電池具有理論能量密度高（8046mAh/cm3），儲量廣泛，成本低廉，安全可靠的特點。目前，鋁離子電池正極材料的研究，主要分為過渡金屬氧化物，硫氯化物，以及碳材料等方向。本文首先以導電碳氈為正極材料，通過測試多種集流體、負極材料、隔膜、電解液以及封裝工藝，制作出了可以循環(huán)穩(wěn)定使用的鋁離子電池結(jié)構(gòu)。然后采取用這種制備工藝，對人工石墨薄膜，碳纖維

4、紙和導電碳氈進行研究。實驗結(jié)果表明人工石墨首次放電能力好，循環(huán)保持能力極差；碳纖維紙放電比容量較低，但是循環(huán)穩(wěn)定性良好，放電比容量隨著循環(huán)不斷增長；碳氈密度大，放電比容量低。綜合來看碳纖維紙的整體性能最為良好，因此選擇其作為鋁離子電池的正極材料進行改性處理，以提高電池的性能。本文進而對碳纖維紙進行造孔和表面處理。首先采用熱氧化的方法進行處理，隨著溫度的升高，最先發(fā)生反應的是碳纖維表面存在結(jié)構(gòu)缺陷的區(qū)域，碳纖維直徑不斷減小，比表面積增加。溫度低于600℃時，熱氧化處理對碳纖維沒有明顯的影響。溫度大于700℃時，增加時間能有效減少纖維直徑。熱氧化處理的最佳溫度為700℃，處理時長為1

5、20min，能夠保持較為完整結(jié)構(gòu)和機械強度，同時能夠擁有較大的比表面，而且循環(huán)穩(wěn)定性良好，擁有較大的放電比容量為35mAhg-1。然后采用氨氣對碳纖維進行處理，氨氣處理能夠沿著碳纖維本身的表面凹槽的進行腐蝕，進一步加深凹槽，增加碳纖維表面的缺陷，但對碳纖維的直徑的影響較小。電化學性能方面，氨氣處理能夠提前激活鋁離子電池潛藏的放電比容量。氨氣處理對碳纖維的最佳處理條件是在1100℃的氨氣氛圍下，加熱120min，能夠保持較為完整結(jié)構(gòu)和機械強度，同時能夠擁有較大的比表面，而且循環(huán)穩(wěn)定性良好，且擁有較大的放電比容量為40mAhg-1。熱氧化和氨氣處理分別是通過減小碳纖維直徑和在碳纖維表

6、面刻蝕凹槽以及增加缺陷來提高比表面積。因此對碳纖維先進行熱氧化處理，再進行氨氣處理，從而進一步擴大正極碳材料的性能。經(jīng)過700℃熱氧化處理120min后，在1100℃-I-摘要氨氣處理120min的碳纖維紙在100mAg-1的放電電流密度下最高放電比容量最高約為55mAhg-1，150次循環(huán)過后仍為52mAhg-1，充放電能力優(yōu)秀。在經(jīng)過700℃熱氧化處理120min后，在1100℃氨氣處理90min，以及700℃熱氧化處理90min后，在1100℃氨氣處理120min碳纖維紙在100mAg-1的放電電流密度下最高放電比容量最高約為44mAhg-1，150次循環(huán)過后認為44mAh

7、g-1，循環(huán)性能優(yōu)秀。最后濃度為0.1molL-1的KOH溶液對碳纖維紙進行活化處理后，纖維表面有小孔出現(xiàn)，放電比容量先減少后增加，說明了使用KOH溶液造孔和熱氧化及氨氣處理相比不夠穩(wěn)定，而且其分解產(chǎn)物能夠提高正極材料的放電能力。當熱處理溫度大于800℃后，才能夠?qū)μ祭w維紙進行充分的活化造孔。關鍵詞：鋁離子電池；正極碳材料；熱氧化；氨氣處理；KOH活化-II-AbstractAbstractTherearetwomajorchallenges,energyandenvironme