博碩士論文 88321042 詳細資訊




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姓名 陳春來( Chun-Lai Chen)  查詢紙本館藏   畢業系所 化學工程與材料工程學系
論文名稱 由天然農作物製備鋰離子電池負極碳材料
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摘要(中) 本論文研究目的,主要分為兩部分,第一部份採取本實驗室研究多年之白糖碳進行製程放大之可行性研究,逐步放大產量,期望獲得實驗室製程產品上限量與再現性之具體數據,並探討合成量產困難或瓶頸所在,瞭解各項量產變數及掌握相關裝備設計及改進方向,以作為未來量產之設備規劃、製程設計及經濟可行性之參考。第二部份則選擇天然廢棄物-稻殼為先驅物,先經由適當的熱處理,合成碳粉,再利用各種化學處理方法,改進碳粉性能。以天然廢棄物為先驅物的優點是在於原料來源便宜,又兼具資源回收及環保的概念,若能合成出高性能的碳材,將可取代以MCMB或焦炭為主的陽極材料,而降低鋰離子電池的生產成本。
白糖碳進行製程放大之可行性研究所設計之大高溫爐,不斷經過測試及修改之後,可得知此反應爐,以白糖3000克進行反應,約可得到產物542.5克。經由反應規模大小、反應時間長短及電池性能評估,得到在600℃下,以白糖2000克,熱解時間16小時,所合成之碳粉,其性能最佳,跟小規模所製成碳粉不相上下。有此可知所設計之大高溫爐已經能將生產規模放大至120倍。
稻殼以不同溫度煆燒所得碳粉進行充放電測試,其煆燒溫度為700℃時,所得到之碳粉,有較佳之電容量,其第一次循環可逆電容量為320 mAh/g,10次循環後,可逆電容量為279 mAh/g。而500℃煆燒所得碳粉之電池性能,其可逆電容量只有2 mAh/g,可能是煆燒未完全,使得鋰離子無法嵌入或釋出碳層。分別以1N、3N或6N HCl對稻殼進行酸處理,以3N HCl處理時,所得到之碳粉有較佳之電容量,其第一次可逆電容量為320 mAh/g,10次循環後,可逆電容量為279 mAh/g。以不同濃度NaOH對稻殼做進一步的表面處理所得之碳粉進行充放電測試,以0.3N NaOH處理者為最佳,第一次可逆電容量為463mAh/g,10次循環後,可逆電容量為292 mAh/g。
稻殼只用HCl跟NaOH處理,在不同溫度下煆燒所得到之碳粉,其表面積大約在200?400 m2/g左右,但是經過製孔劑處理後所得到之碳粉,其表面積均可超過1200 m2/g,尤其又以P=5在600℃下煆燒後之碳粉的表面積最大,高達1743 m2/g,其中P為製孔劑重量對稻殼之重量比。
以不同比例之製孔劑處理稻殼於500℃為煆燒條件下,以P=5的情況下,所得到之碳粉有較佳之電容量,其第一次循環放電電容量為2374 mAh/g,充電電容量為1055 mAh/g,至第5次循環時,可逆電容量為1051 mAh/g。經過了5次循環,可逆電容量僅降低4 mAh/g,衰退率很小。稻殼以製孔劑處理(P = 5)後,在不同溫度下煆燒所得碳粉之充放電圖,其中第一次循環的不可逆電容量相當大,尤以700℃合成的碳粉第一次循環不可逆電容量為1584 mAh/g,之後充放電的循環效率均可維持在80%以上。隨著溫度的上升,發現不可逆電容量有下降的趨勢,同時可逆電容量也下降。不同溫度合成碳粉的電池性能比較,以600℃時的可逆電容量較好,有1448 mAh/g,而不可逆電容量隨著循環次數的增加而減少。
稻殼以製孔劑處理(P = 5)後,在700℃下煆燒所得碳粉,以0.1C充放電速率充放電,充放電截止電壓分別為3.000V與0.005V,其第一次循環之放電電容量為2507 mAh/g,可逆電容量為923 mAh/g,不可逆電容量為1584 mAh/g,而第二次循環之放電電容量為1125 mAh/g,可逆電容量為915 mAh/g,不可逆電容量為210 mAh/g;在186次循環之前可逆電容量均維持在736 mAh/g以上,仍保有80%的電容量。
稻殼以製孔劑處理(P = 5)後,於500℃煆燒所得之碳材,是全世界高電容量碳材首先突破1000 mAh/g電容量的碳材,此新碳材並於2000年五月第十屆國際鋰電池會議中發表。
關鍵字(中) ★ 碳材
★ 稻殼
★ 白糖
★ 高電容量
★ 鋰離子電池
★ 天然物
★ 負極
關鍵字(英)
論文目次 目錄
第一章緒論…………………………………………………………...………………01
1-1 簡介……………………………………………………………………………...…..01
1-2 研究目的與大綱…………………………………………………………………….03
第二章 文獻回顧………………………………………….…………………...06
2-1 現今高電容量碳材發展現況……………………………………………………….06
2-1-1 碳材的分類…………………………………………………………………....06
2-1-2 改質型碳……………………………………………………………………....08
2-1-3 摻雜型碳……………………………………………………………………....10
2-1-4 非石墨化碳……………………………………………………………………13
2-2 以白糖為先驅物合成碳粉之研究………………………………………………….19
2-2-1 國外研究………………………………………………………………………19
2-2-2 國內研究………………………………………………………………………21
2-3 稻殼之組成與應用………………………………………………………………….23
2-3-1 稻殼之組成及性質……………………………………………………………23
2-3-2 稻殼的應用……………………………………………………………………26
2-3-3 稻殼製備碳材料………………………………………………………………26
(a) 稻殼酸洗…………………………………………………………………...26
(b) 稻殼煆燒…………………………………………………………………...27
第三章 實驗方法………………………………………………………………..……...28
3-1 實驗儀器…………………………………………………………………………….28
3-2實驗藥品器材………………………………………………………………………...29
3-3 實驗步驟…………………………………………………………………………….30
3-3-1 白糖熱解碳材放大製程……………………………………………………....30
(a) 大高溫爐設計……………………………………………………………...30
(b) 大高溫爐合成測試………………………………………………………...34
3-3-2 稻殼煆燒碳材之合成…………………………………………………………37
(a) 稻殼以不同溫度煆燒……………………………………………………...37
(b) 稻殼以不同濃度HCl處理………………………………………………...37
(c) 稻殼以不同濃度NaOH處理…………………………………………….38
(d) 稻殼以不同比例製孔劑處理……………………………………………...38
(e) 稻殼經製孔劑處理後以不同溫度煆燒…………………………………...39
3-3-3 碳材鑑定分析…………………………………………………………………39
(a) 熱重量分析(TGA)………………………………………………………39
(b) X光繞射(XRD)…………………………………………………………40
(c) 元素分析(EA)…………………………………………………………..40
(d) 表面積測試-BET方法…………………………………………………….40
(e) 拉曼光譜(Raman Spectroscopy)……………………………………….40
(f) 掃描式電子顯微鏡(SEM)…………………………………….………...41
3-3-4 試驗電池組裝測試…………………………………………………41
(a) 碳極極片製作……………………………………………………………...41
(b) 硬幣型電池組裝…………………………………………………………...41
(c) 電池性能測試方法步驟…………………………………………………...41
第四章 結果與討論………………………………………………………………….……...44
4-1 白糖熱解放大製程之碳粉鑑定分析與電池性能………………………………….44
4-1-1 鑑定分析………………………………………………………………………44
(a) X光繞射(XRD)…………………………………………………………44
(b) 元素分析(EA)…………………………………………………….……..46
(c) 拉曼光譜(Raman Spectroscopy)………………………………………..47
4-1-2 電池測試………………………………………………………………………49
(a) 不同製程規模效應………………………………………………………...49
(b) 熱解時間效應……………………………………………………………...49
4-2 稻殼煆燒製備之碳粉鑑定分析與電池性能……………………………………….57
4-2-1 鑑定分析………………………………………………………………………57
(a) 熱重量分析(TGA)…………………………………………………………57
(b) X光繞射(XRD)……………………………………………………….…57
(c) 元素分析(EA)……………………………………………………………63
(d) 表面積測試-BET方法……………………………………………………..67
(e) 拉曼光譜(Raman Spectrum)……………………………………………67
(f) 掃描式電子顯微鏡(SEM)……………………………………………….67
4-2-2 電池測試………………………………………………………………………72
(a) 稻殼以不同溫度煆燒製成之碳粉電池性能……………………………...72
(b) 稻殼以不同濃度HCl處理製成之碳粉電池性能………………………..72
(c) 稻殼以不同濃度NaOH處理製成之碳粉電池性能………………………82
(d) 稻殼以不同比例製孔劑處理製成之碳粉電池性能……………………...82
(e) 稻殼經製孔劑處理後以不同溫度煆燒製成之碳粉電池性能…………...94
(f) 稻殼經製孔劑處理後在700℃煆燒所得碳粉之長循環測試……………94
第五章 結論……………………………………………………………………………….101
5-1 白糖熱解放大製程之碳粉………………………………………………………...101
5-2 稻殼煆燒製備之碳粉…………………………………..………………………….101
第六章 參考文獻…………………………………………………………..……..………104
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指導教授 費定國(Ting-Kuo Fey) 審核日期 2001-6-27
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