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系統識別號 U0026-0408201414062600
論文名稱(中文) 電紡絲奈米碳纖維之製備及其鋰離子電池負極材料之應用
論文名稱(英文) Preparation of electrospun carbon nanofibers and their use as anode materials for lithium ion batteries
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 化學工程學系
系所名稱(英) Department of Chemical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生(中文) 彭譯德
研究生(英文) Yi-Te Peng
學號 N36014479
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 108頁
口試委員 口試委員-侯聖澍
口試委員-李建良
口試委員-關旭強
指導教授-羅介聰
中文關鍵字 電紡絲奈米碳纖維  鋰電池負極材料 
英文關鍵字 Electrospun carbon nanofibers  anode materials of lithium ion batteries 
學科別分類
中文摘要 本研究探討不同平均直徑的電紡絲聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN)奈米纖維在800℃熱處理製備奈米碳纖維,並應用於鋰電池負極材料。調整PAN在二甲基甲醯胺(N,N-dimethylformamide, DMF)中的濃度製備平均直徑為65 - 684 nm的奈米碳纖維。SEM圖顯示奈米碳纖維皆具有連續且交錯的結構,X光繞射圖譜與拉曼光譜顯示奈米碳纖維同時具有無序的缺陷結構與規則的奈米石墨結晶。奈米孔徑分析顯示平均直徑為65 nm的樣品具有338 m2/g的最高比表面積,同時也具有最佳的電化學效能,變電流測試顯示在900 mA/g電流密度下具有262 mAh/g的比電容量,循環壽命測試顯示在200 mA/g電流密度下循環100次仍具有407 mAh/g的可逆比電容量,殘留率約90%。將製備的奈米碳纖維進一步在1300℃熱處理,研究顯示奈米碳纖維平均直徑皆變小,但仍保有連續與交錯結構,最小平均直徑達39 nm,X光繞射圖譜與拉曼光譜顯示同時具有缺陷結構與奈米石墨結晶,在1300℃仍難以石墨化。奈米孔徑分析顯示各樣品比表面積皆變小,且有平均孔徑變大與微孔關閉的現象,其中平均直徑為39 nm的樣品具有最大比表面積約130 m2/g。電化學測試顯示在900 mA/g電流密度下具有197 mAh/g的比電容量,循環壽命測試顯示在200 mA/g電流密度下循環100次仍具有239 mAh/g的可逆比電容量,殘留率約112%。本研究亦製備不同比例的聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate), PMMA)電紡絲奈米纖維,經過800℃熱處理後形成多孔洞奈米碳纖維。PAN/PMMA = 5/5為前驅物製備的奈米碳纖維有最高比表面積約為306 m2/g,電化學測試顯示在900 mA/g電流密度下具有256 mAh/g的比電容量,循環壽命測試顯示在200 mA/g電流密度下循環100次仍具有354 mAh/g的可逆比電容量,殘留率約67%。
英文摘要 This work focuses on the preparation of electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibers with different diameters and their further use as anode materials for lithium ion batteries. By manipulating the concentration of PAN in N,N-dimethylformamide (DMF), the fibers carbonized at 800 oC had a diameter, ranged from 65 - 684 nm. The SEM images of the carbon nanofibers showed continuous and interconnected fiber morphology. The galvanostatic test on the fibers showed a specific capacity of 262 mAh/g under 900 mA/g current density and cycle life test showed a specific capacity of 407 mAh/g after 100 cycles under 200 mA/g current density with 90% specific capacity retention.
論文目次 摘要I
Extended abstractII
誌謝VI
目錄 VII
圖目錄 IX
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 鋰電池簡介 3
2.2 鋰電池未來發展 5
2.3 鋰電池負極材料 6
2.3.1 碳材做為負極材料 6
2.3.2 鋰離子嵌入碳材行為 8
2.4 電紡絲技術簡介 11
2.4.1 電紡絲原理 11
2.4.2 電紡絲製程參數 13
2.5 孔洞纖維的製備 20
2.5.1 相分離法 20
2.5.2 高溫分解法 21
2.5.3 控制溼度產生孔洞 21
2.6 PAN奈米纖維熱處理 22
2.7 電紡絲碳纖維應用於鋰電池負極材料 25
第三章 實驗方法與步驟 30
3.1 實驗藥品 30
3.2 實驗儀器 31
3.3 實驗流程與步驟 32
3.3.1 製備奈米碳纖維膜 33
3.3.2 材料特性測試 34
3.3.3 極片製作與電化學分析 35
第四章 結果與討論 39
4.1 800 ℃ 熱處理奈米碳纖維膜 39
4.1.1 PAN奈米纖維膜形態 39
4.1.2 800 ℃ 熱處理奈米碳纖維形態 40
4.1.3 800 ℃ 熱處理奈米碳纖維結構判定 40
4.1.4 800 ℃ 熱處理奈米碳纖維電化學性質測試 55
4.2 1300 ℃ 熱處理奈米纖維膜 65
4.2.1 1300 ℃ 熱處理奈米碳纖維形態 65
4.2.2 1300 ℃ 熱處理奈米碳纖維結構判定 65
4.2.3 1300 ℃ 熱處理奈米碳纖維電化學性質測試 73
4.3 PAN/PMMA製備奈米碳纖維膜 81
4.3.1 PAN/PMMA雙成分奈米纖維膜 81
4.3.2 800 ℃ 熱處理PAN/PMMA纖維膜 81
4.3.3 PAN/PMMA製備之奈米碳纖維結構判定 83
4.3.4 PAN/PMMA製備之奈米碳纖維電化學性質測試 85
第五章 結論 103
參考文獻 105
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論文全文使用權限
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