探討鋰電池陽極之PAA相關性質以及碳材在其中的影響

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研究生：	黃正安
論文名稱：	探討鋰電池陽極之PAA相關性質以及碳材在其中的影響 The property of PAA modifiers and the effect of different carbon additives in lithium batteries
指導教授：	蔡哲正
口試委員:	林居南俎永熙
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	英文
論文頁數：	68
中文關鍵詞：	聚丙烯酸、酸化碳材、鋰電池陽極
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隨著能源議題越來越被重視，儲存能源的電池系統也顯得越來越重要。鋰離子二次電池是可儲蓄能電池中相當重要的一塊，但它也存在著相當多需要被改進的地方。在鋰電池陽極材料中，石墨 (graphite)是最主要被使用的材料，其充放電時特性穩定，體積變化率小，壽命長等優點讓它可以成功被商業化使用，但其可儲存的電容量太低是一個相當大的問題，為了改進此問題，相當多的材料被提出來使用。在所有被使用的材料中，矽 (Si)是具有相當潛力的替代物，因為其可儲存的理論電容值幾乎為graphite的10倍之多，這成功吸引了無數人的投入和研究。但使用Si當陽極材料時將會遇到充放電體積變化率過大的問題 (最高可到達270%)，這讓它商業化使用具有相當的困難度。
在改進Si的缺點上，大部分人朝向的方向為改變Si的結構，例如使用active/active, active/inactive, 1-D nanowire, porous thin film等，在裡面表現最好的為1-D nanowire和thin film，但其克電容值 (mAh/g)雖然高，總電容值 (mAh)卻相當有限，加上製程上昂貴的缺點，讓它們不太可能被拿來實際應用。而近年來發現除了可以藉由改變Si結構的方法外，改變高分子黏著劑 (binder)或是改變導電碳材 (carbon additives)也是可行之道，不過整體來說研究的人仍為少數，可以改進的點也還相當多。
傳統或是負極材料上會使用Polyvinylidene fluoride(PVdF)當做binder，但用在Si系統中將會遇到黏著力 (adhesive strength)不足.吸收大量電解液以及會自我交纏 (entanglement)等的問題。隨著高分子科學的發展，binder的知識和發展也跟著進步，現今已發現adhesive strength在所有參數中為其最主要的關鍵，而以現有最好可商業化得到的binde─聚丙烯酸 (polyacylic acid, PAA)來說，大部分PVdF會遇到的問題都可成功被改善，而其具有COOH官能機可大大增加adhesive strength和會形成可隔離電解液的有效阻隔層(artificial SEI)讓它比起其他競爭者具有相當大的優勢。但因為其效果太好，以及結構上難以被改值置換的特點，新一代的binder遲遲無法被發現進而使用，所以我們在實驗中換了個角度來增進我們電池的壽命，那就是改進carbon additives，原本的carbon additives只負責導電的效果，而我們將多壁碳管 (MWNTs)和graphite進行酸化，這個過程會讓carbon additives上多了非常非常多的COOH關能基，因此大大的增加adhesive strength進而成功再增加電池的壽命。
所以本實驗將關注在兩個方面，一者為從幾個方面去探討PAA在鋰電池裡的最佳化使用，以及研究不同carbon additives間所造成的不同結果。

Content    3
Chapter 1 Introduction    4
Chapter 2 Experiments    16
1 Silicon, Binder, and Carbon agents preparation    16
2 Preparation of the Na-PAA based anode composite    17
3 Electrochemical characterization    19
4 Swelling tests    19
5 X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM)    20
Chapter 3 Results and discussion    21
1 Polyacrylic acid investigation    21
1.1 PAA as binder — the solvent effect of polyacrylic acid    21
1.2 PAA as binder — comparison between different modifiers    24
1.3 PAA as binder — the effect of acidic or basic solution added in the polyacrylic solution    26
1.4 PAA as binder — the effect of curing temperature before assembling    28
1.5 PAA as binder — the effect of weight percent of Na-PAA binder in anode composite    30
2 The methods to enhance the retention tests    32
2.1 Comparison of different binders    32
2.2 The effect of ball-milling and carbon coating    34
3 Effect of carbon agents    38
3.1 Natural graphite and graphite oxide    38
3.2 Super-P and Super-P/Graphite and MWNT    41
3.3 MWNT-GO and MWNT-Super-P    45
3.4 GO-Super-P and ACNT-Super-P    49
4 Swelling tests    53
5 X-Ray diffraction    53
6 FTIR results    55
Chapter 4 Conclusion    57
1.1 Binder selection and effect of particle size    57
1.2 Optimization of PAA modifiers    57
1.3 Optimization of composite electrode    58
Chapter 5 Supporting Information    59
Chapter 6 Reference    66

                                

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