鋰離子電池陽極碳材料開發

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Title:	鋰離子電池陽極碳材料開發
Authors:	李日琪;D-C Lee
Contributors:	化學工程與材料工程研究所
Keywords:	花生殼;碳材;鋰離子電池;ABS;高分子
Date:	2000-07-10
Issue Date:	2009-09-21 12:17:34 (UTC+8)
Publisher:	國立中央大學圖書館
Abstract:	本論文主要在探討以花生殼為先驅物，在不同的熱解條件下，合成碳粉，並利用有機溶劑，無機溶劑，對製程之花生殼碳粉作表面化學處理，及摻雜磷的效應，以磷酸為反應劑，將磷摻雜入碳粉中，以期能改善電池性能，並利用各種鑑定分析，以了解碳粉的物化性質。選擇此廢棄的天然物，好處為原料便宜，且具有資源回收的價值，若能商品化，將可降低鋰離子電池陽極碳材料的成本。另外選用兩種應用範圍廣的高分子: Tamanol及ABS為先驅物，以不同的熱解條件下，合成碳粉，經由電池性能測試，以期能找出最佳碳材製程。 A. 花生殼為先驅物首先決定最佳的熱解溫度，以500℃、600℃、700℃及800℃熱解花生殼，合成碳粉，其電池性能測試，以600℃下熱解的碳粉可逆電容量最高，為337mAh/g。為改進花生殼之電池性能，故對花生殼或其碳粉作適當的熱解前、後處理。經電池性能測試的結果，發現熱解後的花生殼碳粉以鹽酸處理時，所得的電池性能，有422mAh/g的可逆電容量，比未處理碳粉337mAh/g較佳。為了解升溫速率對電池性能的影響，故以三種不同的升溫速率(2.5℃/min、1℃/min及0.5℃/min)熱解花生殼。測試的結果以每分鐘升溫0.5℃的電池性能最好，其可逆電容量為440mAh/g，此性能遠比先前每分鐘5℃之升溫速率，所合成碳粉的電容量(337mAh/g)為佳。當將不同升溫速率合成的碳粉，作五十次循環測試比較時，以每分鐘升溫0.5℃的升溫速率，可逆電容量維持較穩定，在十一次循環後，可逆電容量約維持在270mAh/g。先前曾以鹽酸處理每分鐘升溫5℃合成的花生殼碳粉，其電池之電容量有增加的效果，故將每分鐘升溫0.5℃合成的花生殼碳粉同樣以鹽酸處理，但卻無預期增加電容量的效果，因此將碳粉改以硫酸處理，其可逆電容量為455mAh/g，較原未處理碳粉增加15mAh/g，且可逆電容量衰退也比未處理碳粉較慢。另外將花生殼摻雜磷酸濃度分別為20wt.%、10wt.%、5wt.%、1wt.%及0.1.wt%，再以每分鐘升溫0.5℃至600℃，持溫一小時，在氬氣氣氛下合成碳粉，其電容量以摻雜磷酸濃度為10wt%高，其初次循環可逆電容量有446mAh/g，不可逆電容量為484mAh/g。為降低碳粉的不可逆電容量，故將花生殼碳粉以有機溶劑處理(甲苯、2-丁醇、THF+甲醇)，發現以甲苯所處理的碳粉有較高的可逆電容量，為422mAh/g，且不可逆電容量比未處理碳粉減少了109mAh/g。 B. 高分子Tamanol為先驅物以高分子Tamanol為先驅物，經不同熱解溫度(700℃、800℃、900℃及1000℃) 合成碳粉時，在800℃下熱解所得的電容量最佳，其初次循環可逆電容量為372mAh/g。以XRD分析得知其碳層間距也較大，經驗因子R為2.13，表示結構中單層的碳層所佔比例小於30%，雙層及三層的碳層所佔的比例較高。當改變熱解條件: 降低升溫速率至5℃/min及1℃/min，或增加熱解時間至12小時合成碳粉時，發現所得最佳電池性能下的熱解條件為: 升溫速率5℃/min，至800℃持溫12小時，且全程須在氬氣氣氛下，其初次循環的可逆電容量446mAh/g，至第五次循環可逆電容量仍有397mAh/g。 C. 高分子ABS為先驅物由熱重量分析，發現高分子先驅物ABS合適的熱解溫度約在500℃以上，因此決定熱解的溫度為600、700、800及900℃。以X光粉末繞射鑑定高分子先驅物ABS所合成的碳粉，隨著熱解溫度的升高，碳粉的結構越趨向於類石墨的形態。其經驗因子R值隨熱解溫度的升高而增加，R值越大其碳層越趨於平行，排列的也越整齊。另分析其碳層間距(d002) ，則隨熱解溫度升高而減小。將合成的碳粉作元素分析，其中對氫碳比影響較大的為熱解時的溫度及持溫的時間。以掃描式電子顯微鏡分析碳粉的表面形態，可看出碳粉的顆粒為碎裂狀，且在顆粒的表面有片狀似的結構及若干的孔洞。將所合成的碳粉做電池性能測試，綜合改變不同的熱解條件(熱解溫度、升溫速率、反應時間)，合成碳粉，所得最佳可逆電容量下的熱解條件為: 升溫速率5℃/min，至600℃持溫1小時，且全程須在氬氣氣氛下，經電池測試後，初次循環可逆電容量為639mAh/g，不可逆電容量為559mAh/g，至第五次循環可逆電容量為435mAh/g，不可逆電容量僅剩7mAh/g。
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