球形石墨@碳化硅衍生碳的制备及其电化学性能的研究

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为满足储能领域对材料兼具高能量密度和高功率密度的需求,本论文旨在将具有特殊孔隙结构的碳化物衍生碳与具有高导电性和高能量存储密度的石墨类材料相复合的方式,制备得到一种具有核壳结构的双功能复合炭材料。以两种球形石墨炭材料,即石墨化中间相炭微球(GMCMB)和球形天然石墨(NG)为碳源,与硅粉(Si)高温固相反应生成GMCMB@SiC和NG@SiC前躯体,然后经氯气刻蚀制备得到石墨化中间相炭微球@碳化硅衍生碳(GMCMB@SiC-CDCs)和球形天然石墨@碳化硅衍生碳(NG@SiC-CDCs)复合炭材料。通过对复合材料的组成、结构、形貌、孔结构、比表面积以及电化学性能的表征与分析,初步探讨了其储能机理。主要的研究结果如下:(1)采用固相法与氯气刻蚀相结合的方法可成功制备GMCMB@SiC-CDCs和NG@SiC-CDCs复合材料,该材料具有典型的核@壳结构,即分别以GMCMB和NG为核,以具有<1nm的微孔的SiC-CDCs为壳。(2)通过控制碳源与硅的摩尔比(C/Si)可以有效调控SiC-CDCs壳的厚度和GMCMB/NG核的尺寸,并在较大的范围内调节复合材料的比表面积和孔体积;C/Si摩尔比越小,SiC-CDCs在复合材料中的含量越高,对应的比表面积和孔体积越高。(3)选择适宜的C/Si摩尔比(即适宜的衍生碳和球形石墨相对含量)可以有效提高锂离子电池负极的可逆容量,同时表现出比单一GMCMB和NG更好的倍率性能和更高的容量保持率。(4)GMCMB@SiC-CDCs和NG@SiC-CDCs复合材料用作超级电容器电极材料,均表现出良好的电容性能,随着C/Si摩尔比的减小即SiC-CDCs含量升高,复合材料的比电容和能量密度都增大,且可实现大电流充放电。
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