微波改性回收锂电石墨制备高性能负极材料的研究

来源 :郑州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hansenhuang1983
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锂离子电池已成为生活和社会发展中不可或缺的储能设备之一,其产量和消耗量逐年攀升;回收废旧电池中的石墨并加以利用,有利于减轻废弃物掩埋、焚烧造成的污染,而且资源的循环利用还会带来经济效益与可持续发展的社会效益。本文以退役电池中回收的负极废旧石墨为研究对象,利用微波辐照对其改性,研究了改性回收石墨作为负极材料的储锂行为,并以此改性回收石墨为原料,设计制备了纳米SnO2/rGO/回收石墨的三元复合负极材料,以克服储能电化学反应过程中SnO2的体积膨胀,并改善循环稳定性和导电性。本论文创新性地利用微波改性处理回收石墨,实现了废弃资源的增值利用,并发展了一种SnO2/C复合回收石墨的负极材料,对其作为锂电负极材料的综合性能进行了系统评价。主要内容如下:(1)回收石墨的微波改性及储锂性能研究。使用固相微波法对除杂后的回收石墨粉末进行改性,利用回收石墨的特性及其对微波的强吸收所产生的高热,在石墨片层上产生孔洞和刻蚀并扩张层间,形成更多的储锂活性位点和开放的锂离子传输通路,以提高石墨材料的放电比容量、改善倍率性能,并研究了微波时间对改性效果的影响。当微波时间为15 s时,样品表现出优异的储锂能力:在0.1 A g-1电流密度下,首次库伦效率86.4%,经首圈充放电循环后,可逆容量达到428.2 mAh g-1,50圈循环后比容量为412.6 mAh g-1,显著优于未经微波处理的石墨材料,甚至商业碳MCMB(~300 mAh g-1),并且倍率性能也得到了明显改善。该工作为回收石墨再生、改性提供了新思路。(2)基于微波改性回收石墨制备“SnO2/rGO/回收石墨”复合负极材料及其储能性能研究。为实现废弃资源的增值利用,以改性回收石墨、Sn Cl2、GO为原料,通过微波辅助法和机械搅拌,在常压条件下合成了SnO2/rGO/回收石墨(SnO2@rGO/SG)三元复合材料,以改善SnO2@rGO负极的容量衰减,并研究了石墨含量对储锂性能的影响。所制备的SnO2为尺寸~4 nm的纳米颗粒,并均匀锚定在rGO片上,零维纳米颗粒缩短了Li+传输距离,包覆结构有效抑制体积变化,石墨颗粒的引入形成三维结构进一步稳固电极,缓冲膨胀应力并贡献自身容量,改善离子、电子传输特性。当加入15 wt.%石墨时复合材料表现出优异的储锂能力:该样品在0.2 A g-1的电流密度下,首圈放电比容量为1567.5 mAh g-1,100圈循环后放电比容量仍可维持在1025.0 mAh g-1,在大电流密度1 A g-1下,100圈循环后放电比容量为704.7 mAh g-1。该工作为SnO2/C基复合材料的设计提供了一个简便高效、低成本的新方案。(3)制备工艺对SnO2@rGO/SG复合材料的储能性能的影响。在15 wt.%石墨添加量的条件下,通过改变微波合成时间,研究其对SnO2@rGO/SG复合材料结构、组成和储锂性能的影响,以确定相对最优的合成工艺参数。结果表明当微波时间为7 min时,样品循环稳定性、倍率性能和离子扩散等电化学性能明显优于其他微波时间样品:0.2 A g-1下,循环300圈后放电比容量为904.5 mAh g-1,在1 A g-1下经过100圈循环,容量保持率为81.6%。得到微波辅助法的相对最佳工艺条件为500 W功率下7 min的微波合成。
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