碳纳米管用于锂离子电池负极材料

1、本文由plionbattery贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机 查看。第36卷1期第2006年月2电池BATTERYIMONTHLYB碳纳米管用于锂离子电池负极材料张万红1,方1,岳2,于作龙2,3亮敏有限公司,广东深圳518055;1中国科学院成都有机化学研究所,四 川成都3610041(11西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安710049;1深圳市 贝特瑞电子材料2摘要:采用碳纳米管(CNTs作为锂离子电池负极材料的添加剂,测试了负 极材料的电化学性能。结果表明:添加2%(质量比的CNTs,使负极材料的 首次充、放电容量分别提高2914

2、mAh/g和4511mAh/g,经20次循环,容量未 见衰减。这是由于CNTs具有较大的比表面积和较高的储锂能力。关键词:锂 离子电池;负极材料;碳纳米管;电化学性能中图分类号:TM91219 文献标识码:A文章编号:1001-1579(200601-0050-02areaandhighlithiumintercalationcapacityofCNTs11+2目前锂离子电池生产中广泛采用的负极材料是石墨类碳材料间距使Li更容易嵌脱,管状结构在反复充放电过程中不会崩塌,有利于提高 电池的充放电容量和循环稳定性,缺点是首次充放电效率较低,使CNTs直接作为锂离子电池负极材料,在应用中受到限制。材

3、料,考察了电池的性能。1实验多级粉碎、整形分级后得到。炭黑为Super2P(瑞士产。添加剂碳纳米 管为多壁CNTs(深圳产,主要性能指标见表1。电化学性能测试采用双电 极实验电池,制备方法为:将负作者简介:anodewasevaluated1Theresultsshowedthattheinitialchargeand dischargecapacitiesofanodewith2%(wt%CNTsincreasedby2914m Ah/gand4511mAh/g,respectively1Thecapacitiesdidnotdecreaseafte r20cycles,duetothela

4、rgespecificsurfaceAbstract:Theelectrochemicalperformanceoftheanodematerialsas carbonnanotubes(CNTSusedasadditiveforLi2ionbattery本文作者采用CNTs作为添加剂与天然石墨混合制备负极实验采用SG18型球 形石墨样品(深圳产,由鳞片石墨经张万红(1966-,男,河南人,西安交 通大学材料科学与工程学院博士生,研究方向:锂离子电池负极材料,本文联系人 ;方(1957-,男,浙江人,西安交通大学材料科学与工程学院教授,研究方 向:新材料制备与表征;亮岳(1972-,男,四川人

5、,深圳市贝特瑞电子材 料有限公司总经理,总工程师,研究方向:锂离子电池负极材料;敏于作龙(19 40-,男,吉林人,中国科学院成都有机化学研究所研究员,研究方向:催化化学 及功能材料。?1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHou se.Allrightsreserved.anodematerial;carbonnanotubes;electrochemicalpropertyKe ywords:Li2ionbattery;。碳纳米管(CNTs具有类似石墨的层状结构,较大的层31ChengduInstituteofOrganicChe

6、mistry,ChineseAcademyof Sciences,Chengdu,Sichuan610041,ChinaApplicationofcarbonnanotubesasanodematerialsforLi2ionbatte ry(11SchoolofMaterialScience&Engineering,XiJiaotongUniversity,Xi,Shaanxi710049,China;ananZHANGWan2hong1,FANGLiang1,YUEMin2,YUZuo2long2,321BTREnergyMaterialsCo1,Ltd1,Shenzhen,Gua

7、ngdong518 055,China;管径/nm表1实验用CNTs的典型性能指标长度/mTable1TypicalparametersofCNTsforexperimental纯度/%比表面积/m2?-1g96非晶碳含量/%<360100515>95极活性物质与水基粘结剂丁苯橡胶乳(SBR和添加剂羧甲基纤维素(CMC 混合制浆,涂于15m厚的铜箔上,在100下真空干燥24h后,辊压成厚 度约65m的电极。使用冲孔机打出圆形电极片,以金属锂片作为对电极,1mo l/LLiPF6/EC+DMC+EMC(1,质量比为电解液,Celgard2400为隔膜,在充满11氩气的手套箱里组装实验

8、电池。电化学性能测试采用DC25C电池性能测试仪 (上海产,对电池进行恒流充放电实验,电流密度为015mA/cm2,电压范围为2 100001001V,数据由计算机采集,充放电温度为室温。Vol136,No11Feb1,2006灰分/%<012第1期张万红,等:碳纳米管用于锂离子电池负极材料512结果与讨论表2列出了不同CNTs与导电剂炭黑的含量(质量比对负极材料充放电 性能的影响。表2不同含量CNTs负极材料的电化学性能Table2Electrochemicalperformanceofanodematerialswithdif2f erentamountsofCNTs首次/mAh?-

9、1gCNTs炭黑/%/%01233210第2次/mAh?-1g第3次/mAh?-1g第20次/mAh?-1g1、2分别是添加CNTs前、图图后的首次充放电曲线及不同CNTs含量的负极材料的首次充、放电容量和效率。图1不添加和添加2%CNTs的负极材料的首次充放电曲线(局部图andwith2%CNTs(part放电容量提高,添加量达到2%后,容量又有所降低。添加 CNTs后,首次循环的库仑效率稍有降低。添加CNTs有一个最佳值,本实验为2%,这时,负极材料的首次充、放电容量分别提高了2914mAh/g和4511mAh/g。20次循环后,添加2%CNTs的负极材 料充电容量为36017mAh/g,

10、充放电效率为9915%,Fig11Initialcharge2dischargecurvesofanodematerialswithout 图2不同含量CNTs负极材料的首次充放电容量和效率anodematerialswithdifferentamountsofCNTsFig12Theinitialcharge2dischargecapacityandefficiencyof由表2及图1可知,随着CNTs含量的增大,负极材料的充充电38013404104251438815放电32814349163571831916充电35510366133721335014放电3391235512361173

11、3612充电35412363133691434718放电34117356133621133815充电35414362153621334717放电34016357113601734017未添加CNTs的负极材料充电容量为34016mAh/g,充放电效率为9611%,CNTs使负极材料电化学性能得到提高。挥其有效作用。但库仑效率较低3,这是由于CNTs独特的开口管状结构可以挥作用,储锂电位较石墨的层间储锂 电位更高。CNTs的管径级,这种特殊的结构,使Li+的嵌入深度小,过程短 ,Li+不但嵌溶剂化Li+嵌入引起石墨层剥离,造成负极材料损坏。CNTs掺杂 到石墨的缝隙中,起到桥梁作用,增强了材料的

12、导电性,减轻了电极的极化,避 免了石墨在充放电过程中产生的“孤岛效材料的首次充电容量和放电容量均增加, 而首次库仑效率下降。CNTs表面活性较高,制备电极时不易分散,在添加量加大 降低,这是因为CNTs加入量过大,相互缠绕,不易分散,未能发CNTs具有较高的储锂容量,首次放电容量达654mAh/g,储锂,CNTs的碳网具有类似石墨的层状结构,可以层间储锂,其层间距( d002为01348nm,较石墨的层间距(01335nm更大,更有利于Li+的嵌脱 4。对比图1的充放电曲线,可以看出添仅为纳米级尺寸,管与管之间相互 交错的缝隙也是纳米数量入到管内各处,而且可以嵌入到管间的缝隙中5;还 可防止因

13、应”6。CNTs具有很大的比表面积,形成SEI膜消耗的Li+较加CNTs后,嵌锂电位提高。CNTs的纳米级空洞储锂机制在发多,首次循环效率较低。由图2可知,随着添加量的增加,负极时表现得更为明显,添加量增加到3%时,充放电容量反而有所3结论碳纳米管(CNTs作为添加剂与石墨形成的复合碳负极材料,提高了电池的充、放电容量和循环稳定性,对首次循环效率的不利影响较小。这是由于较小的纳米材料填充较大的石墨颗粒孔隙,可形成 良好的导电网络,纳米材料本身有一定的可逆储锂容量,同时,CNTs的管状结构和大的比表面积,能够吸收和储存电解 液,并改善电极抵抗破坏的能力,提高了负极材料的综合电化学性能。参考文献

14、:收稿日期:2005-08-031994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig htsreserved.1WANGFei(汪飞,ZHAOMing2shu(赵铭姝,SONGXiao2ping(宋3ZHANGAi2li(张爱黎,ZHAIXiu2jing(翟秀静,FUYan(符岩 ,ChineseJournalofAppliedChemistry(应用化学,2001,18(4: 269-271114(12:31-321Materials(无机材料学报,2004,19(1:2 44-2481(电池,2004,34(2:126-12815TANGZhi2yuan(唐 致远,LIUChun2yan(刘春燕1纳米碳管及其organicMaterials(无机材料 学报,2004,19(5:1111-111712ZHOUDe2feng(周德凤,MAYue(马越,ZHAOYan2ling(赵艳玲 ,4IZhi2jie(李志杰,LIANGQi(梁奇,CHENDong2liang (陈栋L6ZOUHan2bo(邹汉波,DONGXin2fa(董新法,LINWei2m ing(林晓平1锂离子电池锡基负极材