基于石墨烯的锂离子电池导电网络构建及其规模化应用-应用化学专业论文.docx

摘要为了满足快速发展的电动汽车和可再生能源系统对超高能量密度、高充放 性能储能系统的迫切需求，锂离子电池及其关键材料需要从功率和容量性能上 进一步提高。石墨烯是由sp2杂化碳原子构筑而成的具有独特物理、化学性能及 几何结构的单层碳质纳米材料。本文将石墨烯作为导电添加剂引入到锂离子电 池的正负极中，使用电化学性能测试分析与理论模拟的方法探讨石墨烯对锂离 子电池内部电化学过程的影响，并在此基础上使用商品化锂离子电池为研究体 系探讨石墨烯材料规模化应用的前景。论文首先将石墨烯引入到石墨/导电炭黑体系中构成高效的储能/导电网络。 并根据石墨烯电化学性能的差别，设计了能量型和功率型的复合负极材料。测 试表明，得到的功率型负极材料可以在5C时仍然可以保持将近300mAh/g的容 量；而能量型负极材料在0.1C时可达到400mAh/g以上的容量，并且循环稳定 性良好，远超过了没有石墨烯时石墨的倍率性能和容量性能。基于其“至薄至柔”的结构特征，石墨烯可以通过“面-点”的接触模式在 活性材料颗粒中形成有效导电网络，再加上较大的比表面积和电导率，与传统 导电添加剂相比，具有非常高的导电效率。通过扣式电池的初步研究发现，石 墨烯在添加量很少时就可以大幅度提高LiFePO4材料的电化学性能，导电效率 远高于商品化导电剂。然而添加石墨烯的电池的倍率性能不够理想，通过对多 孔电极中的电子/离子的传递过程进行理论分析发现石墨烯的加入会造成电极孔 隙曲折度增加，限制了锂离子的传输。若将石墨烯用于高倍率电池则需要对石 墨烯材料在形貌上进行调控以减少其对锂离子传输的阻碍。在探索以石墨烯为导电剂的商品化电池实际制备工艺基础上，使用商品化 的2Ah、2.6Ah以及10AhLiFePO4/石墨锂离子电池作为研究体系对石墨烯的导 电性能进行了验证。并且通过提高石墨烯电导率和使用石墨烯/炭黑的复合导电 剂，仅使用1wt%的石墨烯就在很大程度上改善了电池的性能。在此基础上，设 计制备大容量石墨烯储能电池。测试结果表明使用1wt%石墨烯的电池能量密度 超过使用10wt%商品化导电剂的电池，在0.5C放电条件下前者能量密度可以达 到117Wh/kg，而后者的能量密度只有102Wh/kg；即使当放电电流增加到1C时 前者的容量性能仍比后者提高10%。关键词：锂离子电池石墨烯导电添加剂导电网络离子传递大容量电池 规模化应用ABSTRACTTheperformanceoflithiumionbattery(LIB)isrequiredtobefurtherimprovedtomeetfast-increasingenergyneeds.Graphenenanosheet(GN),composedbyasinglelayerofsp2carbonatoms,ischaracterizedbyuniquephysical,chemicalpropertiesandgeometricalstructure.Inthisthesis,GNisintroducedintoLIBsystembothforanodeandcathodeasaneffectiveadditivecomponent.Electrochemicalanalysis methodandtheoreticalsimulationareboth employedtoinvestigate theeffectofGNadditiveontheelectrochemicalprocessofLIB.Then,theapplicationpotentialofGNinreallargecapacitycommercialLIBsisalsoinvestigatedindetails.GNisfirstlyintroducedintographite/carbonblacksystemtoconstructhigheffectiveenergy-storing/conductivenetwork.Thenenergy-orientedandpower- orientedcompositeanodematerialisdesignedbasedontheelectrochemicalperformanceofGN.Theresultssuggestthattheas-obtainedpower-orientedanodeischaracterizedbythespecificcapacityof300mAh/gat5C,whilethespecificcapacityofenergy-orientedisabove400mAh/gwithgoodcycleperformance.Theresultssuggest thattheper