论文部分内容阅读
碳纳米管因其独特的力学、电学和热学性能,正逐步取代炭黑成为锂离子电池导电剂中的重要组成。虽然碳纳米管导电剂能有效提高锂离子电池的电化学性能,但仍存在两个主要待解决的难题:第一,极难除尽的碳纳米管合成中的金属催化剂会混入电池导电剂,从而易引发电池内部微短路;第二,碳纳米管在电池中形成的导电网络,由于受到电池活性物质在充放电过程中体积变化的作用,易崩塌,较难维持稳定的结构。针对上述问题,本论文通过对催化剂体系的优化和催化剂设计,合成出了超高纯度碳纳米管和多级结构混合碳纳米管用于锂离子电池导电剂,可望提升锂离子电池的循环性能与倍率性能。主要研究内容总结如下:(1)自主搭建了水辅助化学气相沉积装置,实现了超高纯度(>99.99%)阵列碳纳米管的规模制备。通过对催化系统的优化与生长工艺条件的调控,获得了管径均一度高、长度及管径可控的阵列碳纳米管,并实现了日产量大于1克的规模制备。(2)通过分散方法(超声法、球磨法)与分散条件的优化制备了超高纯阵列碳纳米管导电剂,研究了磷酸铁锂电池的电化学性能,结果表明添加阵列碳纳米管导电剂的电池性能(5 C:140 mAh/g,10 C:109 mAh/g)远优于添加普通碳纳米管导电剂的电池(5 C:100 mAh/g,10 C:0 mAh/g)。(3)设计了Ni-Mn-Al的多元金属催化剂,使用流化床工艺成功制备了细碳纳米管(~10 nm)与粗碳纳米管(~50 nm)相交织的多级结构碳纳米管;研究了二氧化锡电池的电化学性能,结果表明使用多级结构碳纳米管的电池表现出了优异的循环性能(1A/g循环1000圈:710 mAh/g)和倍率性能(10 A/g:400 mAh/g),远优于使用普通碳纳米管的电池(10 A/g:200 mAh/g);通过微观表征发现其优势在于多级结构碳纳米管可在多次循环后保持导电网络骨架不变。