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摘 要

面对人类与日俱增的能源需求和日益紧缺的能源供应之间严重的矛盾，能源的合理储存成为了关键性的问题。因此，开发高性能的能量存储器件目前具有重要意义。

碳材料具有较高的比容量是目前高性能能量储存器件研究的热点之一。但碳材料也存在着一些缺点，所以必须对它进行一些掺杂改性，以提高其电化学性能。本文以滤纸作为碳源，采用氢氧化钾（KOH）活化和在Ar氛围下高温焙烧的方法制得活化的自支撑薄膜电极，然后做成电池并对其进行测试。本文首先考察了KOH活化对材料形貌的影响，然后采用电镜（SEM）对形貌特征进行了表征，滤纸作为自支撑薄膜，不需要使用任何导电添加剂、粘合剂以及集流体，可以直接作为锂离子电池的电极。测试表明，活化材料作为锂离子的负极材料，比容量可以比普通滤纸高一倍以上，经过50次充放电循环后，仍然能够保持相当高的比容量，因此，它作为锂离子电池的电极材料具有潜在的应用前景。

关键词：氢氧化钾 活化 自支撑薄膜电极 锂离子电池 负极材料

Preparation and investigation of high performance carbon paper electrode

ABSTRACT

Nowadays, increasing human demand for energy, as well as the growing shortage of serious contradiction between energy supply and storage ,has become a critical problem. Therefore, the development of high-performance energy storage device is currently of great significance.

Carbon materials with high specific capacity is one of the hot materials for high-performance energy storage device. However, carbon materials have some disadvantages, like low capacity(compared with Transition metal oxide anodes) and poor rate performance. In this paper, filter paper is used as a carbon source, which is activated by potassium hydroxide (KOH) and under Ar atmosphere at high temperature to obtain activated self-standing film electrode, then they are made to be coin cells and test. This paper first investigates the impact KOH activation on the morphology, and then use SEM to characterize the micro-morphology of the self-standing film paper. it can be directly as a lithium-ion battery electrodes without the use of any conductive additives, adhesives and current collector. Tests show that the activated carbon paper as a negative electrode material of lithium ion can be more than twice the capacity than the unactivated paper, and after 50 charge-discharge cycles, the ratio can still keep high capacity. so self-standing carbon paper electrode will have a wide potential application as lithium-ion battery electrode materials.

Key words：potassium hydroxide; activation; self-standing film electrode; Lithium-ion battery; anode material

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1.课题背景和意义 1

1.2.锂离子电池的发展史 1

1.3.锂离子电池结构、工作原理 4

1.4.锂离子电池关键材料概述 5

1.4.1.正极活性材料 6

1.4.2.电解质材料 6

1.4.3负极活性材料 7

1.4.4 .碳负极材料改进方法的研究 10

1.5.本论文的研究目的与意义 13

第二章 材料的制备与实验研究方法 15

2.1.实验原料 15

2.2.实验仪器设备 15

2.3.活性材料的制备 15

2.4.扣式电池的制备 16

2.5.试验样品的性能表征 16

2.5.1.扫描电子显微镜(SEM) 17

 2.5.2.恒流充放电测试 17

 2.5.3.循环伏安测试 17

第三章 结果与讨论 18

3.1.采用不同浓度的KOH溶液活化后碳纸的形貌 18

3.2.活化后滤纸形貌特性分析 19

3.3.活化后碳纸作为锂离子电池负极材料的电化学性能。 19

3.1.1.首放曲线 20

3.3.2.循环性能 21

3.3.3.倍率性能 22

3.4.活化后碳纸制成锂离子电池后的循环伏安特性 23

第四章 结论与展望 24

4.1.结论 24

4.2.展望 24

参考文献 25

致谢 28

第一章 文献综述

1.1.课题背景和意义

环境污染和能源危机是现在和未来一段时期内人类面临的两大难题。目前，全球的发电总量约为20万亿千瓦小时，并且68 %的电能由化石燃料提供，其中煤碳发电占42 %，天然气发电占21 %，石油发电占5 %，核电占1 %，水力发电占15 %，其余的3 %来自于可再生能源技术。^[1]随着经济的发展，预计在本世纪中叶，全球的电力需求将翻一番，到本世纪末全球的用电需求将是目前的三倍。与此同时，在未来的几十年内，石油和天然气产量将达到顶峰，随之将出现一次能源的危机。此外，作为目前世界电力的主要来源——煤碳，每发电1 kWh同时产生约1000 g的CO₂温室气体，这是造成全球气候异常最主要的原因之一。^[2-4]另外，现在汽车的大量普及而导致的环境和能源问题也不容忽视。因此，开发新能源及新能源材料成为我们迫在眉睫需要解决的重大课题。

目前，太阳能和风能是普遍认为最丰富和最具发展潜力的清洁能源。^[5,6]然而，太阳能和风能存在间歇性的缺点，并且受地域的影响也比较大。因此要充分利用这些资源必须要有高效、低成本的电能储存系统。其中化学蓄电池被广泛认为是最为理想的储能系统。而近十年表明，锂离子蓄电池具有高电压，无记忆效应，高能量密度，环境友好，体积小，重量轻等优点。例如，LIBs可以对新能源进行电化学储能如太阳能，风能，海浪，甚至核源以及动力源的电动汽车和混合动力电动汽车能源利用过程中实现零排放。这使锂离子电池的研究迅速成为当今的研究热点。^[7,8]

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