高容量葡萄糖基硬碳负极材料的制备及其电化学性能研究

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硬碳作为锂离子电池负极材料,具有很高的克比容量、优异的倍率性能和低温性能,且成本低廉、来源广泛,已经受到了科学界和产业界的广泛关注和研究。但是,目前硬碳负极材料依然存在首次库伦效率低的问题,严重影响了其产业化应用。本论文以廉价的葡萄糖为原料,通过简单的水热反应,制备葡萄糖基硬碳前驱体,经过后续排焦和碳化的热处理,制备葡萄糖基硬碳负极材料,研究了热处理工艺和预锂化处理对硬碳负极材料结构和电化学性能的影响。具体研究内容和结果如下:(1)以葡萄糖为原料,通过简单的水热法,制得了微球形貌的葡萄糖基硬碳前驱体,经过后续排焦和碳化的热处理,制得了葡萄糖基硬碳负极材料。结果表明,葡萄糖基硬碳负极材料依然保持有前驱体的微球形貌,颗粒尺寸为3-5μm左右。经过正交试验设计,研究了葡萄糖基硬碳前驱体的热处理工艺对材料结构和电化学性能的影响。对于葡萄糖基硬碳负极材料的放电容量,最主要的工艺条件是碳化温度,其后依次是升温速率、碳化时间和排焦时间;对于葡萄糖基硬碳负极材料的首次库伦效率,最主要的工艺条件是碳化时间,其后依次是排焦时间、碳化温度和升温速率。最优排焦和碳化的热处理工艺为:先以1℃/min的升温速率从室温升高至300℃后保温排焦2 h,再以5℃/min的升温速率升温至900℃保温碳化3 h。优化条件下获得的葡萄糖基硬碳负极材料表现出较好的电化学性能,在37.2 mA/g时首次放电容量和库伦效率分别为569.4 mAh/g和67.4%;在186 mA/g时首次放电容量和库伦效率分别为489.4 mAh/g和65.9%;在372 mA/g时首次放电容量和库伦效率分别为418.2 mAh/g和67.2%。(2)为了进一步提高葡萄糖基硬碳负极材料的首次库伦效率,对其电极片进行了自放电和电化学预锂化处理。结果表明,自放电和电化学预锂化处理都能够预先在硬碳负极表面形成稳定的电极界面,从而减少首次循环的锂损失,提高首次库伦效率。自放电预锂化45 min后的硬碳负极,在37.2和74.4 mA/g时的首次库伦效率分别为96.5%和98.9%。电化学预锂化处理后的硬碳负极与自放电预锂化处理后的硬碳负极性能相似,在37.2 mA/g时的首次库伦效率为96.7%,远高于未预锂化处理的硬碳负极。
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