高压下醋酸纤维材料的碳化行为以及在锂离子电池中的应用

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基于结构的多样性和来源的广泛性,热解碳被认为是替代锂离子电池现有负极的理想材料之一。因此,为了提高其储锂能力,人们已采用各种前驱体和制备技术对热解碳在不同温度和压力下的碳化行为如结晶度、化学组成和微观结构等进行了广泛的研究,并获得了许多具有开创性的成果。然而,我们发现目前压力下的碳化研究如自升压法和水热法等均存在热力学单向行为即温度控制压力,缺乏一种热力学三个维度自由可控状态下的碳化行为的研究。基于此,如能在压力和温度可控条件下探索材料碳化行为,那么将有可能填补该体系下相关研究的空白。事实上,作为压力和温度的可控设备---中国式六面顶压机,在我国已有半个世纪的使用历史。然而,该设备主要应用于超硬材料合成领域,而作为温度和压力调控下的碳化研究手段尚无相关报道。此外,对于前驱体我们选择了含有醋酸纤维、烟丝和卷纸的香烟废弃物。我们的目的在于:通过该项研究将包含有毒有害物质的香烟废弃物转化为可用于锂离子电池的负极材料,实现其增值服务。本论文以香烟废弃物为初始原料,采用等静压热解技术对三种材料在不同的温度和压力等热力学行为进行了研究。在此基础上,将金属氧化物与醋酸纤维复合并在等静压下进行了热解碳化研究。此外,将不同条件下获得的热解碳及其复合材料作为锂离子电池的负极进行了相关测试,结果如下:(1)研究了不同温度和压力体系对醋酸纤维碳化行为以及热解碳形貌和结构的影响。研究发现,温度和压力的提升有助于改善热解碳的石墨化度,并且对于热解碳形貌具有较大的影响。此外,将这些热解碳作为锂离子电池的负极材料进行了充放电性能、倍率性能、循环性能以及阻抗等电化学性能等方面的研究。(2)探索温度和压力对于烟纸和烟草的碳化行为的影响。首先在恒定压力下,温度提升有助于烟纸和烟草石墨化度的提高,并且烟纸比烟草更易石墨化。其次在恒定温度状态下,压力升高同样有利于烟纸和烟草石墨化程度的提高,但是提升的程度并不明显。此外,分析了不同温度和压力下热解碳电化学测试结果,并与醋酸纤维热解碳的结果相互对比。(3)为了进一步提升热解碳在负极材料中的应用,我们在高压下对CoO(SnO2)/C复合材料进行了碳化研究。研究结果表明,随着金属氧化物含量增加,热解碳的无序度增加。在不同质量分数下的CoO(SnO2)/C表现出不同的形貌结构,CoO/C易于形成三维纳米片状花结构,SnO2/C易于形成网状多孔结构。此外,研究了CoO(SnO2)/C复合材料的电化学性能以及储锂机制。
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