电化学储能用硅及活性炭材料的研究-化学工程与技术专业论文.docx

Classified Index: TM912.9 U.D.C: 621.355 Dissertation for the Master Degree in Engineering STUDY ON SILICON AND ACTIVATIED CARBON MATERIALS FOR ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE Candidate： Yang Siyuan Supervisor： A.P. Jia Zheng Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Chemical Engineering and Technology Affiliation： School of Chemical Engineering and Technology Date of Defence： June, 2011 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - I - 摘 要 锂离子电池与超级电容器是最具希望的两种电化学储能设备，而提高其性 能的最为有效的方法无疑是研究与制备性能优良的新型材料。硅是一种重要的 锂离子电池负极材料，本文使用一种新颖的液相合成的方法，制备出丁基包覆 的硅纳米材料，再对其进行高温烧结，得到碳包覆的硅纳米材料，详细的研究 了制备的各种硅材料的电化学性能。高比表面积的活性炭是良好的超级电容器 电极材料，本文采用氢氧化钠活化石油焦的方法制备了高比表面积的活性炭材 料，探索了超级电容器的装配工艺，并研究了不同制备条件对材料性能的影响。 首先，优化了丁基包覆硅纳米材料的合成工艺，制备出的材料大小适当、 分布均匀，经测试发现其尺寸在 50nm 左右。对材料进行烧结，使用传统的管 式炉烧结的方法得到的材料循环性能良好，经改进烧结工艺后最高脱锂比容量 可达 410.31mAh/g。使用真空烧结的实验装置能够有效阻止材料有效物质的气 化流失，制得的材料中碳与硅结合紧密、包覆均匀，各种电阻相比明显下降， 显著的提高了材料的电化学性能，其最高脱锂比容量可达 663.25mAh/g 且 70 次循环后容量没有明显的衰减。 其次，研究了不同粘结剂体系对硅材料性能的影响，揭示了粘结剂影响电 池性能的本质。发现使用 CMC 水性粘结剂体系代替传统的 PVDF 体系粘结剂 能够有效的提高纯硅材料的循环性能，而对于碳包覆硅纳米材料，使用 PVDF 粘结剂时效果较好。 最后，系统的研究了活性炭材料超级电容器的电化学性能，揭示了材料的 结构对其性能的影响。石油焦为碳源，700℃下使用氢氧化钠活化 1h 时，得到 活性炭材料在 1mV/s 下的比电容能够达到 68.78F/g，100mV/s 下比电容保持效 率为 47.52%。而预氧化处理能够显著的提高材料的性能。经预氧化处理的活性 炭材料 1mV/s 下的比电容能够达到 83.47F/g，在 100mV/s 的高扫速下仍有 68.75F/g，比电容保持效率为 77.57%。 关键词：硅/碳复合材料；液相合成；粘结剂；活性炭材料 - - II - Abstract Lithium-ion batteries and super capacitors are two most promising electrochemical energy storage devices. And the most effective way to improve its performance is to develop new materials. Silicon is an important lithium-ion battery anode material. In this paper, one kind of butyl-coated silicon nano-materials was prepared by the certain original liquid phase synthesis, then the carbon-coating silicon nanomaterials was prepared after high-temperature sintering, and took related tests of physical characterizations and electrochemical performances. Active carbon is a kind of good super capacitor