天然石墨的改性及嵌脫鋰動力學研究.pdf

1、天然石墨資源豐富、價格低廉和理論容量高，其作為負極材料在小型鋰離子電池上廣泛應用。但是，其與電解液相容性差和大倍率容量低等缺點阻礙了其在大容量大尺寸動力電池上的應用。本文針對以上問題，采用液相法對天然石墨進行表面改性，分別采用X射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外轉換儀(FTIR)、藍電電池測試系統(tǒng)(Land)和電化學工作站等對天然石墨改性前后樣品進行結構、表面化學、電化學性能、交流阻抗和循環(huán)伏安分析，研究瀝青包覆改性和酸堿表面修飾改性對天

2、然石墨電化學性能和嵌脫鋰動力學的影響。
　　 分別以H2SO4、H2O2和HNO3作表面修飾劑，利用單一變量實驗對天然石墨進行表面修飾改性研究。優(yōu)化了合成溫度、反應濃度和反應時間，確定最佳的改性條件為:反應溫度O℃、改性劑濃度3mol/L和反應時間12h。研究結果表明，酸表面修飾并未改變天然石墨的晶體結構但改變了其表面的官能團。經(jīng)H2SO4表面修飾后，其表面的-OH消失，-COO-的數(shù)目增加，出現(xiàn)了-S=O鍵;經(jīng)H2O2表面修飾

3、后，其表面的-OH消失同時生成了環(huán)氧酸根基團;經(jīng)HNO3表面修飾后表面有N=O和C-N生成。電化學性能測試結果表明，經(jīng)H2SO4表面修飾處理的天然石墨電化學性能得到明顯改善。與原始天然石墨相比，最優(yōu)條件下H2SO4處理的天然石墨(NGS3)首次脫鋰容量由345.6mAhg-1增加至365mAhg-1，0.5C20次循環(huán)后，脫鋰容量由299.9mAhg-1增加至320.5mAhg-1。
　　 分別以NaOH和LiOH作表面修飾劑，

4、利用單一變量實驗對天然石墨進行改性研究。優(yōu)化了合成條件，得出最優(yōu)的合成條件為:反應溫度0℃、改性劑濃度3mol/L和反應時間12h。研究結果表明，堿處理提高了天然石墨的石墨化度且改變了表面的官能團，經(jīng)NaOH和LiOH處理后表面生成了-CHO官能團，-OH和-COO-的數(shù)目增加。電化學性能測試結果表明，改性天然石墨樣品的循環(huán)性能和倍率性能隨NaOH處理時間、濃度和溫度的增加而提高。最優(yōu)條件NaOH處理的天然石墨(NGNa3)和LiOH處

5、理的天然石墨(NGLi3)與未經(jīng)處理的天然石墨(NG)，在0.5C下20次循環(huán)后脫鋰容量分別為324.8mAhg-1、313.2mAhg-1和299.9mAhg-1，容量保持率分別為95.2％、90.0％和86.8％。
　　 以瀝青作包覆劑，采用單一變量實驗對天然石墨進行表面包覆研究。研究結果表明，經(jīng)瀝青包覆后石墨化程度降低且天然石墨表面變得光滑，改性石墨表面有苯環(huán)生成。電化學性能測試顯示，在瀝青重量損失區(qū)保溫更有利于電化學性能

6、的提高，與天然石墨相比，在500℃保溫1h的樣品NG'5-2，0.5C下20次循環(huán)后，脫鋰比容量由299.9mAhg-1增加至336.0mAhg-1。
　　 采用交流阻抗譜和循環(huán)伏安譜對改性前后的天然石墨進行嵌脫鋰動力學研究。研究結果顯示，與原始天然石墨相比，經(jīng)瀝青包覆的天然石墨，膜電阻RSEI和電荷轉移電阻Rct減小，交換電流密度j0增大，經(jīng)酸或堿表面修飾的天然石墨RSEI和Rct均減小，CSEI和CCPE增加，多次循環(huán)后RS