原位合成Pb-C电池负极复合材料及其电化学性能研究

摘要

生物质碳材料的应用研究具有重要意义。Pb-C电池存在不可逆硫酸盐化等系列问题仍未解决。本文采用原位合成方法制备了剑麻纤维、壳聚糖炭材料，把它们至于铅膏中，利用充放电测试系统、电化学工作站，并结合XRD、SEM、RM、BET等手段，对比研究了剑麻纤维或壳聚糖为碳源和碳黑为碳源制备炭材料作为Pb-C电池复合负极材料的结构、形貌和电化学性能，获得了一些有意义的结果。 采用剑麻纤维、导电剂、粘结剂、膨胀剂、析氢抑制剂等为原料，利用原位合成方法，制备了炭材料。利用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射谱（XRD)、比表面吸附法(BET)，拉曼光谱（RM）等对其形貌、相结构、孔径、石墨化程度进行表征和分析，结果表明，剑麻纤维为碳源的炭材料孔径分布在1-5nm，比表面积为12.8181m2/g。同时把炭材料与电池添加剂混合成涂膏，作为负极材料，组装成Pb-C模拟电池，利用电化学测量技术，对Pb-C模拟电池进行循环伏安曲线、电化学交流阻抗谱测试，以评价负极复合材料实际应用的可能性及其潜在价值，结果表明以剑麻纤维为碳源原位合成炭材料制成的负极复合材料，具有更好的电化学性能，有更小的电阻，其循环伏安法测试的比电容为0.523F/g，首次放电平台更长，最终容量达到96.72mAh/g。 以壳聚糖、导电剂为原料，利用原位合成方法，制备炭材料。通过X射线粉末衍射仪、扫描电镜和电子能谱仪、比表面仪、拉曼光谱仪等方法对炭材料进行表征，结果表明，壳聚糖为碳源的炭材料具有非晶态结构，孔径分布集中在5-10nm，比表面积高达487.4 m2/g，适合作为Pb-C电池负极材料使用。将原位合成壳聚糖炭材料或碳黑炭材料与析氢抑制剂、粘结剂、膨胀剂等电池添加剂混合成涂膏，作为负极材料，分别组装成Pb-C模拟电池，利用电化学测量技术和电池性能测试系统评价Pb-C电池电化学性能，结果表明，以原位合成壳聚糖炭材料作为负极材料制成的Pb-C电池负极板，比碳黑为碳源制备的负极材料具有更好的电化学性能，电阻较小，其循环伏安法测试的比电容为220F/g，首次放电平台更长，最终容量达到108.72mAh/g。 根据第一性原理，用MS5.0对常见的三种析氢抑制剂进行理论计算，主要计算它们的能带结构和态密度等参数。归纳出几种常见析氢抑制剂的共同结构特征，从微观角度解释现有的实验现象，从而为后续的科研同仁选择合适的析氢抑制剂提供理论参考。