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碘电对的氧化还原反应速率快,可逆性好,将其应用于锂二次电池的正极材料,有望获得高比能量和高比功率的电池体系。但是,单质碘是绝缘性的,并且易溶于有机电解质,使其难以直接用于电极材料。本论文选用两种新型多孔碳材料与碘复合,采用多种手段表征复合材料材料的结构特点,并测试其电化学性能,旨在探索制备高性能的锂碘二次电池正极材料。
首先,采用球磨法、热处理法和聚苯胺包覆制备了一系列不同负载量的碘/导电炭黑复合材料。热处理法制备的46 wt%复合材料,整体电化学性能优于球磨法制备的55 wt%材料。为了进一步限制活性物质的损失,对球磨后的混合物进行聚苯胺包覆,制得了碘负载量为35 wt%的复合材料,50C倍率(整体电流密度3693mA/g)循环前两百周的放电比容量维持在160~190mA/g之间,比能量为162~193Wh/kg,比功率约为10.7 kW/kg。与未包覆的碘负载量36 wt%的材料作对比,显示了聚苯胺限制活性物质溶解、提升材料电化学性能的作用。
其次,选用了一种比表面积更大的新型超级活性炭,采用与碘/导电炭黑复合材料相同的方法制备了碘/超级活性炭复合材料。球磨法制备了碘负载量48wt%的复合材料,比容量比含量相近的碘/导电炭黑材料有了明显提升;聚苯胺包覆制备的44wt%材料,50C倍率(整体电流密度4642mA/g)循环前两百周的放电比容量维持在170~200mAh/g之问,比能量为217~255Wh/kg,功率密度约为13.5 kW/kg。热处理法制备的35 wt%复合材料,50C倍率下前一百周循环的放电比容量维持在180~195mAh/g,相比其2C倍率的循环性能,比容量损失不大。这表明超级活性炭极高的比表面积及0.5~1.0 nm范围丰富的微孔,可有效限制活性物质的损失,得到比容量和比功率更高的复合材料。
总之,利用多孔碳的高比表面积和强吸附性,可实现碘的高含量负载,同时有利于提升材料大倍率循环的比容量和循环可逆性,为研制高比功率比能量的锂碘二次电池提供了重要思路。