PEO-Al2O3复合隔膜和生物碳负极材料制备及电化学性能研究

论文摘要

锂离子电池是当代最主要的储能器件之一。随着时代发展,人们对其容量以及能量密度要求逐渐增高,随之电池的安全问题以及锂资源匮乏问题相继出现。本论文针对上述问题,主要以PEO复合隔膜和钠离子生物碳负极材料为研究对象。研究了复合隔膜的结构及其电化学性能,探讨了生物碳材料的结构和储钠性能。主要研究内容如下:本文以聚氧化乙烯（PEO）和氧化铝（Al2O3）为原料,利用涂膜法制备出系列PEO-Al2O3复合隔膜。探索了Al2O3添加量对PEO-Al2O3复合隔膜的性能影响。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线能量色散谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱分析（XPS）、热重分析（TG）及燃烧实验法对复合隔膜的形貌、元素分布、相组成、表面化学状态和热稳定性进行表征。通过线性扫描伏安法（LSV）、电化学交流阻抗法（EIS）、孔隙率和吸液率实验考察了复合隔膜的电化学窗口、离子电导率、孔隙率和吸液率。实验结果显示,PEO-Al2O3-90复合隔膜具有最高的离子电导率(1.21×10-3S/cm)、最大的吸液率（260%）、较好的热稳定性、较高的孔隙率（47%）以及较宽的电化学窗口（04.8 V）。通过组装电池发现,PEO-Al2O3-90复合隔膜电池在电流密度为0.1 C时,其表现出较高的放电比容量,优异的循环稳定性以及较强的安全性。以酵母为生物模板和绿色碳源,分别在900 oC、1100oC和1300oC条件下对酵母高温热解,获得了尺寸和形貌高度均匀的碳微球。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和比表面积（BET）对所得碳微球的物相组成、形貌、比表面积进行表征,并探讨了不同热解温度对其电化学性能的影响。结果表明,1100oC热解所得酵母碳材料展示出较高的可逆储钠比容量（205 mAh/g,0.1 C=20 mA/g）和优异的循环稳定性（循环100次后容量保持为186 mAh/g）。这主要是因为1100 oC热解所得到的碳微球材料具有适宜的石墨层间距（0.361 nm）、缺陷和孔结构以及较小的比表面积（72 m2/g）,从而有利于促进钠离子脱嵌和提升电池的首次库伦效率。由此可见,利用生物模板法合成酵母碳微球的策略不仅可以实现生物材料绿色高效利用,同时也为钠离子电池提供了一种极具潜力的碳负极材料。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.2.1 锂离子电池的发展史

1.2.2 锂离子电池的组成和工作原理

1.2.3 锂离子电池正极材料

1.2.4 锂离子电池负极材料

1.2.5 锂离子电池电解液

1.3 聚合物电解质简介及研究现状

1.3.1 全固态聚合物电解质（All-Solid Polymer Electrolyte, SPE）

1.3.2 凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolyte, GPE）

1.3.3 隔膜/液态电解质

1.4 钠离子电池概述

1.4.1 钠离子电池简介

1.4.2 钠离子电池的组成和工作原理

1.4.3 钠离子电池正极材料

1.4.4 钠离子电池负极材料

1.4.5 钠离子电池电解液

1.5 选题依据和研究内容

第二章实验方法与性能表征

2.1 实验试剂与仪器设备

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验设备

2.2 材料物理性能表征

2.2.1 X射线衍射分析（XRD）

2.2.2 扫描电子显微镜分析（SEM）

2.2.3 红外光谱分析（FTIR）

2.2.4 比表面积和孔径分布分析（BET）

2.2.5 X射线光电子能谱分析（XPS）

2.2.6 透射电子显微镜（TEM）

2.2.7 热失重分析（TG）

2.2.8 吸液率测试

2.2.9 孔隙率测试

2.2.10 阻燃测试

2.2.11 接触角测试

2.3 电池制备与组装

2.3.1 扣式电池制备与组装

2.3.2 软包电池制备与组装

2.4 电化学性能测试

2.4.1 离子电导率测试

2.4.2 电化学稳定窗口测试（LSV）

2.4.3 恒流充放电测试

2.4.4 循环伏安测试（CV）

2.4.5 电化学阻抗测试（EIS）

2O₃ 复合隔膜制备及电化学性能研究'>第三章高安全性 PEO-Al₂O₃复合隔膜制备及电化学性能研究

3.1 引言

2O₃ 复合隔膜制备'> 3.2 PEO-Al₂O₃复合隔膜制备

3.3 结果与分析

3.3.1 形貌分析

3.3.2 结构分析

3.3.3 离子电导率、吸液率、孔隙率和接触角分析

3.3.4 热稳定性分析

3.3.5 电化学稳定性测试

3.3.6 电池性能测试

3.4 本章小结

第四章生物模板法合成酵母碳微球负极材料及其储钠性能研究

4.1 引言

4.2 酵母硬碳的制备

4.3 结果与分析

4.3.1 形貌分析

4.3.2 结构分析

4.3.3 孔径分布分析

4.3.4 电池性能测试

4.4 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王佳

导师: 张文魁,夏阳

关键词: 聚氧化乙烯,氧化铝,隔膜,锂离子电池,酵母,生物模板法,碳负极,钠离子电池,电化学性能

来源: 浙江工业大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 无机化工,材料科学,工业通用技术及设备,电力工业

单位: 浙江工业大学

分类号: TB383.2;TQ127.11;TM912

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PEO-Al2O3复合隔膜和生物碳负极材料制备及电化学性能研究

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