球型天然石墨表面改性用于锂离子电池负极材料的研究
石墨是一种较为理想的锂离子电池(以下简称锂电)负极材料，有天然石墨和人造石墨之分，其中人造石墨性能稳定，是目前我国锂电生产中使用的主要负极材料，但成本偏高。我国的天然石墨因为产地和后续加工工艺不同，在结构和性能上存在很大差异，但作为锂电负极材料时，普遍存在首次不可逆容量偏高，充放电循环性能欠佳等缺点，无法直接使用于锂电生产。为提高天然石墨性能，经过多年努力，如今国内一些技术先进的厂家已经在鳞片石墨的物理加工成型方面取得突破，且主要物化指标已与人造石墨相差无几，但是在作为锂电负极原料方面却同样存在缺陷，如：可逆容量偏低，性能劣化过快等，导致了其仍不能直接使用。因此，如何在该成果的基础上进行进一步的改进达到实用化的目的，是目前需要解决的重要问题。
本论文以天然石墨制成的球型石墨为原材料，在其表面用化学镀的方法沉积铜、镍，以液相浸渍法包覆一层沥青、树脂并碳化，制成具有核一壳结构的改性石墨。制备过程中利用正交法设计实验并优化各因素条件，测定了产品粒度、比表面、真密度、表面形貌等理化指标，考察了结构性能，并利用三电极测试装置，借助恒电流充放电、循环伏安、电位阶跃、交流阻抗等电化学测试手段测定其电化学性能。主要实验内容及结果如下：
1．石墨表面镀铜
较为系统地研究了石墨表面镀铜过程中的影响因素，发现温度是其中最主要的影响因素，其它依次是CuSO<,4>·5H<,2>O浓度、甲醛浓度、络合剂浓度。可通过控制反应时间和温度控制镀铜量。石墨表面镀铜后，降低了电极的表面积，增大了锂离子的扩散系数，有利于石墨的充放电进行，提高了与电解液的相容性，电极的充放电效率得以提高。就铜含量对电极性能的影响研究发现，随着含铜量的增加，充放电效率逐渐提高，但达到某一值后又有降低趋势。在本次实验所考察的各含量中，以含铜5.6％的镀铜石墨效果最好，与石墨原样相比，锂离子的扩散系数由4.656×10<'-10>cm<'2>/s增大到2.461×10<'-9>cm<'2>/s，首次充放电效率提高了10％。 2．石墨表面镀镍与石墨表面镀铜的研究类似，镀覆过程的影响因素中温度仍是最主要的，其次是时间，最后是NiSO<,4>浓度。石墨表面镀镍后，同样可以降低电极的表面积，增大电极反应过程中锂离子的扩散系数，并提高与电解液的相容性，有利于石墨的充放电进行。与镀覆铜类似，充放电效率随着镍含量的增加逐渐增大，但达到某一值后又有降低趋势，在本次实验所考察的各含量中，以含镍6.2％的镀镍石墨效果最好，与石墨原样相比，锂离子的扩散系数增大到7.587×10<'-10>cm<'2>/s，首次充放电效率提高了17％。
3．石墨表面包覆沥青和树脂的研究
我们分别选定了沥青和树脂作为软碳材料和硬碳材料的代表物，对球型化天然石墨进行了包覆改性研究。由于包覆其他碳材料后碳化过程中的聚结是要解决的关键问题，我们尝试进行了添加剂的研究，发现炭黑效果较好，并针对不同材料确定了其最佳含量，其次还对碳化条件进行了详细考察。最终确定的包覆沥青的碳化条件是：炭黑含量15[％]N<,2>中100℃下固化1h后N<,2>中1000℃下碳化1h；包覆酚醛树脂的碳化条件是：炭黑含量20％，N<,2>中75℃下固化1h后再在空气中氧化2h，最后在N<,2>中1000℃下碳化1h。经该处理后的石墨表面积都得到了降低，做成电极后，锂离子的扩散系数普遍提高，可逆容量增加，在本次实验研究的含量中以含沥青碳7.6％的改性石墨效果最好，与石墨原样相比，锂离子扩散系数增大到1.325×10<'-9>cm<'2>/s，首次充放电效率提高了16％；在树脂包覆材料中以含量为9.9％者效果最好，锂离子扩散系数增大到1.147×10<'-9>cm<'2>/s，首次充放电效率提高了16％。
球型天然石墨;沥青;酚醛树脂;锂离子电池;负极材料
中国海洋大学
硕士
应用化学
曹晓燕
2006
中文
TM912.9;TM242
60
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）