中間相瀝青基多孔炭的制備及其儲(chǔ)能特性的研究.pdf

1、鋰離子電池(LIBs)作為最常用的化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換裝置，已廣泛用于信息技術(shù)、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域。其具有能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、記憶效應(yīng)少、污染小等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來電力儲(chǔ)存最有效的途徑之一。為了滿足當(dāng)前的市場(chǎng)需求，開發(fā)具有更高的容量，更長(zhǎng)的循環(huán)耐久性和更好的倍率性能的先進(jìn)電極材料受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的石墨電極能量和功率密度較低、安全性能不高，難以滿足新一代電能存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)化設(shè)備的要求。而多孔炭材料具有比表面大、孔徑均一

2、可調(diào)、離子和電子擴(kuò)散路徑短、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在鋰離子電池、超級(jí)電容器、燃料電池等與能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化相關(guān)的電化學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。
　　為了提高鋰離子電池能量密度和倍率性能，本論文旨在合成一種具備鋰離子脫/嵌儲(chǔ)能功能的多孔炭材料。以中間相瀝青(MP)為碳源，通過SiO2模板法、CaCO3模板法以及SiO2模板協(xié)同KOH活化法成功制備出一系列中間相瀝青基多孔炭材料。采用XRD、SEM、TEM、R

3、aman、N2吸/脫附法等方法對(duì)多孔炭材料的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。將所制備的多孔炭材料作為鋰離子電池負(fù)極材料，通過恒流充放電、倍率測(cè)試、循環(huán)伏安特性(CV)、交流阻抗(EIS)等測(cè)試方法對(duì)多孔炭材料的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和表征。主要研究結(jié)果為:
　　(1)以納米SiO2為模板，MP為碳源，成功制備了中間相瀝青基多孔炭材料。該材料結(jié)構(gòu)疏松，分散性良好，孔徑集中在18nm左右，高溫?zé)崽幚懋a(chǎn)生擴(kuò)孔作用。所制備的多孔炭材料具有介孔及片層結(jié)構(gòu)和

4、石墨化微晶結(jié)構(gòu)特征，在倍率性能方面表現(xiàn)突出。2400℃熱處理SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％制備的多孔炭(A-10-2400)樣品在1C電流密度下循環(huán)100次的可逆容量保持為247.5mAh g-1，并且在循環(huán)過程中具有穩(wěn)定的放電容量。層狀多孔結(jié)構(gòu)和石墨化微晶碳域有助于縮短擴(kuò)散距離并降低擴(kuò)散阻力，從而促進(jìn)電解質(zhì)和Li+在材料中的快速擴(kuò)散，并提高材料表面的有效利用率。
　　(2)以CaCO3為模板，MP為碳源，也成功制備了中間相瀝青基多孔炭

5、材料。隨著熱處理溫度的升高，多孔炭樣品的有序度增強(qiáng)，石墨化程度增大?？讖椒植驾^寬，孔徑主要為15nm、35nm和50nm的介孔，含有少量大孔。放電比容量隨熱處理溫度的升高先減小后增大，900℃熱處理CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60％制備的多孔炭(B-60-900)樣品在0.1C電流密度下循環(huán)100次的可逆容量為374.2mAh g-1，容量保持率約為100％。隨著CaCO3模板含量的增加，多孔炭樣品的比表面積和孔體積先增后減，B-70-900達(dá)

6、到最大，分別為112.33m2g-1和0.729cm3g-1，具有大的首次可逆比容量(428.4mAh g-1)。通過改變CaCO3模板含量能夠有效調(diào)節(jié)多孔炭材料的孔結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化其電化學(xué)性能。
　　(3)采用SiO2模板協(xié)同KOH活化法成功制備了具有微孔和介孔的分層次多孔炭(HPC)材料，其中微孔和介孔含量可通過SiO2/MP質(zhì)量比獲得有效調(diào)控，隨著SiO2含量的增加，MP反應(yīng)活性增強(qiáng)，1-2nm的微孔、2-3nm和15-30n

7、m的介孔含量逐漸提高，比表面積和總孔體積可分別達(dá)到909.31m2g-1和1.068cm3g-1。
　　(4)將HPC材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，它表現(xiàn)出高可逆容量和優(yōu)異的倍率性能。其層狀結(jié)構(gòu)和豐富的微孔和介孔結(jié)構(gòu)可作為儲(chǔ)鋰活性位提高儲(chǔ)鋰容量，并有利于促進(jìn)鋰離子的快速遷移，從而賦予其良好的電化學(xué)性能。隨SiO2含量的增加，HPC的儲(chǔ)鋰容量和倍率性能呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，900℃熱處理SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％制備的多孔炭(HPC-3