電極材料在實現(xiàn)高性能鋰離子電池中起著至關重要的作用。無機電極材料因有限的能量密度和功率密度限制了鋰離子電池的進一步發(fā)展。有機電極材料比容量高、體積膨脹小、結構可控,有望成為下一代高性能鋰離子電池。本文以電活性有機質材料為研究對象,研發(fā)出了高比容、高功率、長壽命有機鋰離子電池負極,并借助現(xiàn)代光譜學技術和電化學測試技術探討了其儲鋰機制。在此基礎上探究了有機/石墨復合負極的電化學性能和作用機制。此外,研究了電活性有機質材料作為石墨負極粘結劑的電化學性能。這些研究為高性能鋰離子電池的發(fā)展奠定了理論和技術基礎。具體研究內容包括:有機金屬骨架(MOFs)富馬酸鋁、高分子聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及小分子馬來酸作為鋰離子電池負極的電化學性能及儲鋰機制;馬來酸/石墨復合材料作為鋰離子電池負極的性能及儲鋰機制;及PMMA作石墨負極粘結劑的電化學性能及優(yōu)化機制。1.富馬酸鋁MOFs是由富馬酸與無機鋁鹽絡合而成的一種類銀耳狀材料,其電化學性能相比于富馬酸顯著提升。在37.5 m A g-1電流密度下循環(huán)100圈后有392 m Ah g-1的可逆容量,且循環(huán)過程中無明顯容量衰減。在37.5 A g-1電流密度下仍有258 m Ah g-1的可逆容量。富馬酸鋁優(yōu)異的電化學性能歸因于其低阻抗、高比表面積、及充放電過程中小體積膨脹效應和穩(wěn)定的結構。其儲鋰機制為兩電子轉化反應,即富馬酸鋁與鋰反應形成鋁和富馬酸鋰。2.PMMA作為常用的一種熱塑性塑料,可以通過一種新穎的儲鋰機制作為一種資源豐富、穩(wěn)定且高性能的鋰離子電池負極材料。這種未添加粘結劑和導電劑的薄膜電極在14 m A g-1電流密度下有343 m Ah g-1的可逆容量,在350 m A g-1電流密度下仍保持了初始容量的82.6%,70 m A g-1循環(huán)150圈后仍有197 m Ah g-1的可逆容量。其儲鋰機制為在PMMA原位形成的環(huán)戊二酮上進行可逆的鋰化/去鋰化。這一研究為尋找新型有機電極材料提供了新思路。此外,將PMMA作為粘結劑可以有效提高石墨負極電化學性能。放電電流密度為18.6 A g-1時,PVDF-PMMA(1:1 wt%)和PVDF-PMMA-PMALi(6:4:2 wt%)基石墨負極的容量保持率分別達到90.4%和96.2%,遠高于PVDF基石墨負極的16.2%。這些結果使我們對合理設計具有內部協(xié)同效應的復合粘結劑有了更深的認識。3.馬來酸是一種未經修飾的有機小分子,作為鋰離子電池負極展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學性能。在46.2 m A g-1電流密度下的容量為1500 m Ah g-1,電流密度為46.2 A g-1時仍有571 m Ah g-1的容量,2.31 A g-1循環(huán)500圈后容量保持率為98.1%。其優(yōu)異的電化學性能歸因于馬來酸較小的體積膨脹效應和獨特的儲鋰機制。此外,將馬來酸與石墨復合作為鋰離子電池負極也展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學性能。在8 A g-1的電流密度下的可逆容量為889 m Ah g-1。在400 m A g-1的電流密度下循環(huán)1000圈后仍有989 m Ah g-1的可逆容量。馬來酸/石墨復合電極優(yōu)異的電化學性能歸因于馬來酸不僅貢獻了高的可逆容量還緩解了石墨在脫嵌鋰過程中產生的體積膨脹效應。且石墨為馬來酸提供電子傳輸通路和活性位點,提高了馬來酸在電化學循環(huán)過程中的使用率。這種基于有機質材料的鋰離子電池負極比容量高、倍率性能優(yōu)異、循環(huán)穩(wěn)定,且工藝簡單、清潔環(huán)保,有望作為下一代高能量、高功率密度“綠色鋰離子電池”。
【學位單位】：蘇州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM912

【參考文獻】

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本文編號：2809008