铝离子电池正极碳材料的研究

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1、硕士学位论文铝离子电池正极碳材料的研究STUDYONCARBONCATHODEMATERIALSFORALUMINUM-IONBATTERIES彭鹏哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：577密级：公开工学硕士学位论文铝离子电池正极碳材料的研究硕士研究生：彭鹏导师：邱业君副教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学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世纪人类面临着能源和环境两大挑战，因此开发新一代高效清洁的可再生新能源是实现人类社会高效和可持续发展的必然要求。由于锂电池存在锂资源稀缺，以及高成本和安全性等问题，因此作为下一代超高容量电池的可充放电铝离子电池，引起了关注和研究。铝离子电池具有理论能量密度高（8046mAh/cm3），储量广泛，成本低廉，安全可靠的特点。目前，铝离子电池正极材料的研究，主要分为过渡金属氧化物，硫氯化物，以及碳材料等方向。本文首先以导电碳毡为正极材料，通过测试多种集流体、负极材料、隔膜、电解液以及封装工艺，制作出了可以循环稳定使用的铝离子电池结构。然后采取用这种制备工艺，对人工石墨薄膜，碳纤维

4、纸和导电碳毡进行研究。实验结果表明人工石墨首次放电能力好，循环保持能力极差；碳纤维纸放电比容量较低，但是循环稳定性良好，放电比容量随着循环不断增长；碳毡密度大，放电比容量低。综合来看碳纤维纸的整体性能最为良好，因此选择其作为铝离子电池的正极材料进行改性处理，以提高电池的性能。本文进而对碳纤维纸进行造孔和表面处理。首先采用热氧化的方法进行处理，随着温度的升高，最先发生反应的是碳纤维表面存在结构缺陷的区域，碳纤维直径不断减小，比表面积增加。温度低于600℃时，热氧化处理对碳纤维没有明显的影响。温度大于700℃时，增加时间能有效减少纤维直径。热氧化处理的最佳温度为700℃，处理时长为1

5、20min，能够保持较为完整结构和机械强度，同时能够拥有较大的比表面，而且循环稳定性良好，拥有较大的放电比容量为35mAhg-1。然后采用氨气对碳纤维进行处理，氨气处理能够沿着碳纤维本身的表面凹槽的进行腐蚀，进一步加深凹槽，增加碳纤维表面的缺陷，但对碳纤维的直径的影响较小。电化学性能方面，氨气处理能够提前激活铝离子电池潜藏的放电比容量。氨气处理对碳纤维的最佳处理条件是在1100℃的氨气氛围下，加热120min，能够保持较为完整结构和机械强度，同时能够拥有较大的比表面，而且循环稳定性良好，且拥有较大的放电比容量为40mAhg-1。热氧化和氨气处理分别是通过减小碳纤维直径和在碳纤维表

6、面刻蚀凹槽以及增加缺陷来提高比表面积。因此对碳纤维先进行热氧化处理，再进行氨气处理，从而进一步扩大正极碳材料的性能。经过700℃热氧化处理120min后，在1100℃-I-摘要氨气处理120min的碳纤维纸在100mAg-1的放电电流密度下最高放电比容量最高约为55mAhg-1，150次循环过后仍为52mAhg-1，充放电能力优秀。在经过700℃热氧化处理120min后，在1100℃氨气处理90min，以及700℃热氧化处理90min后，在1100℃氨气处理120min碳纤维纸在100mAg-1的放电电流密度下最高放电比容量最高约为44mAhg-1，150次循环过后认为44mAh

7、g-1，循环性能优秀。最后浓度为0.1molL-1的KOH溶液对碳纤维纸进行活化处理后，纤维表面有小孔出现，放电比容量先减少后增加，说明了使用KOH溶液造孔和热氧化及氨气处理相比不够稳定，而且其分解产物能够提高正极材料的放电能力。当热处理温度大于800℃后，才能够对碳纤维纸进行充分的活化造孔。关键词：铝离子电池；正极碳材料；热氧化；氨气处理；KOH活化-II-AbstractAbstractTherearetwomajorchallenges,energyandenvironme