预嵌锂高性能锂离子电容器及其电化学性能研究

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锂离子电容器作为新型的储能器件之一,兼具了双电层电容器的高功率密度和锂离子电池的高能量密度,深受广大科研者的关注,然而,锂离子电容器在循环过程中会生成不稳定的固态电解质膜,且部分锂离子嵌入电极材料后无法脱离,造成不可逆容量,都消耗了大量电解液中锂离子,从而降低锂离子电容器的电化学性能。可见提前对锂离子电容器进行预嵌锂十分重要,针对此问题,本文采用不同锂源材料对负极材料进行预锂化处理,通过化学气相沉积法(CVD)来制得多壁碳纳米管(MWCNTs),主要以多壁碳纳米管材料为负极,以活性炭(AC)为正极,组装成锂离子电容器,探索不同锂源材料对锂离子电容器电化学性能的影响。主要研究成果如下:1、以石墨及多壁碳纳米管(MWCNTs)为负极材料,并使用稳定金属锂粉(SLMP)进行预嵌锂处理,正极材料使用活性炭(AC),组装成锂离子电容器。通过对碳纳米管/石墨负极材料进行添加适量的稳定金属锂粉,可有效形成SEI膜,减少不可逆容量,Li+在负极材料中传输效率更高,间接提升了其充放电效率,可使电容器尽量保持其理论容量该有的高容量。电流密度为50 m A/g时,预锂化的锂离子电容器比电容为86.527 F/g。预嵌锂后,电流密度为50 m A/g时,能量密度为115.970 Wh/kg,电流密度为3 A/g时,功率密度值为3953.85 W/kg,在经过3000次恒流充放电循环后,容量保持率为83.14%。2、以全氟树脂为氟源,进行高温加热产生氟气(F2),在惰性气体氮气(N2)环境下对金属锂粉进行氟化,生成稳定的氟化锂(Li F)。以多壁碳纳米管(MWCNTs)为负极材料,并使用氟化锂(Li F)对负极进行预嵌锂处理,正极材料使用活性炭(AC),组装成锂离子电容器并研究其电化学性能。实验表明,通过预嵌氟化锂粉的方式,补偿锂离子电容器生成SEI膜时所需要的Li+,有效地提升了锂离子电容器的长循环性能。电流密度为50 m A/g时,预嵌氟化锂的锂离子电容器的比电容最为127.55 F/g,能量密度为208.84 Wh/kg,电流密度为3 A/g时,功率密度为5605.6 W/kg,在经过3000次长循环后,容量保持率为88.1%。3、将镍酸锂(Li2Ni O2)与活性物复合组成正极电极,并以多壁碳纳米管(MWCNTs)为负极材料,组装成锂离子电容器,考察了Li2Ni O2的电化学性能,不同Li2Ni O2添加量对锂离子电容器的电化学性能影响。结果表明,Li2Ni O2材料的可逆容量为6.33%,不可逆放电容量为325.4 m Ah/g,Li2Ni O2材料是一种高度不可逆材料。Li2Ni O2的添加可有效地补充锂离子电容器在生成SEI膜时所需要的Li+,显著提升了锂离子电容器的比容量、功率密度、能量密度和循环稳定。其中,当Li2Ni O2的添加含量为20%,添加的效果最佳。在电流密度为50 m A/g,其比电容为117.84 F/g,当电流密度范围在0.05~4 A/g时,其能量密度为196.4Wh/kg,功率密度为5688.7 W/kg。在经过4 000次长循环后,其容量保持率仍然达到90.42%,制备工艺简洁,展现出良好的商业化前景。
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