生物质衍生硬碳负极材料在二次电池上的应用

摘要

锂离子电池已经成为最受关注的储能电池体系，并在各种便携式储能设备中广泛应用。但由于锂资源有限，使得锂离子电池成本增高，因此，需要寻求一种可替代技术来降低其成本。基于丰富且低成本的钠元素资源，钠离子电池引起大家的普遍关注。目前，在商业化锂离子电池中广泛使用的负极材料是石墨材料，但由于钠离子半径是锂离子的1.5倍，导致石墨的层间距（0.335 nm）不利于钠离子的嵌脱过程，使其无法应用于钠离子电池体系中。因此，在钠离子电池负极材料中，非石墨化的硬碳材料是研究重点。其中，生物质衍生硬碳材料是一种以农/林产品废弃物/副产物为来源的硬碳材料，目前以其环境友好性、成本低等特点，成为制备硬碳材料的关注焦点。
　　本论文中，选用三种不同生物质材料（开心果壳、葵花籽壳和花生壳）为原料，以两步法（低温水热-高温热解）制备硬碳材料，研究热处理温度和水热条件对硬碳材料的结构性能、形貌特征以及材料在二次电池中电化学性能的影响。此外，根据硬碳材料的性质，制备硬碳-金属氧化物复合材料，对金属氧化物进行改性研究，扩展硬碳材料应用范围。
　　本论文的主要研究结果如下：
　　（1）为了研究热处理温度的影响，在制备硬碳材料过程中选用两种不同生物质（开心果壳和葵花籽壳），热解温度范围为800-1100℃。结果表明，热处理温度影响硬碳材料的结构性质（石墨化程度、材料缺陷度、比表面积和孔体积）。经过电化学性能测试，在热解温度为1000℃时，两种不同生物质原料所制备出的硬碳材料PSHC-1000和CMF-1000均表现出高的可逆比容量，良好的循环稳定性和倍率性能，并且大倍率循环稳定性好。此外，选用稳定的NaNi0.5Mn0.5O2材料和Na0.44MnO2材料为正极，PSHC-1000材料为负极，1M NaClO4(EC:PC=1:1)为电解液，组装钠离子扣式全电池，进一步测试硬碳材料PSHC-1000的实用电化学性能。经过测试，全电池表现出高的可逆比容量、良好的循环稳定性。因此热处理温度的选择对硬碳材料的性能至关重要。
　　（2）为了扩展硬碳材料的应用范围，基于所制备的葵花籽壳衍生碳微米纤维材料特殊的纤维状结构，可将其与金属氧化物材料复合从而改善金属氧化物的性能。在此，选用结构稳定而导电性差的TiO2材料，在其中加入碳微米纤维材料制备TiO2/CMFs复合材料，对其电化学性能进行改性研究。复合材料中的碳微米纤维，为 Na+和电子的传输提供有效路径以及良好的电子导电网络，使得复合材料的可逆容量、倍率性能、循环稳定性和首周效率均得到很大提升，有效改善金属氧化物材料的电化学性能。
　　（3）水热条件的选择影响材料的结构，对形貌的影响更加明显。通过在不同水热预处理条件下处理花生壳，得到的花生壳衍生硬碳材料在锂离子电池和在钠离子电池中表现出的电化学性能相差很大。因此，可以通过控制水热条件对材料的结构和形貌进行调控，并对材料的电化学性能进行改性研究。
　　综上所述，生物质衍生硬碳材料来源广泛、制备简单，并且可以表现出出色的电化学性能。此外，硬碳材料还可以与金属氧化物制备复合材料，对后者进行改性。因此，生物质衍生硬碳材料可以作为一种有前景的二次电池负极材料进行进一步研究。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 二次离子电池简介

1.3 生物质衍生硬碳负极材料的发展进程

1.4 论文的选题意义及研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 材料的结构和形貌表征

2.4 电化学性能测试

第三章 开心果壳衍生硬碳材料的制备及其储钠性能

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 葵花籽壳衍生碳微米纤维材料的制备及其储钠性能

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 花生壳衍生硬碳材料的制备及其储锂/储钠性能

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1不同来源生物质制备硬碳材料的储钠性能对比

6.2 结论

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文