高压下秸秆的碳化行为以及作为锂离子电池负极材料研究

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近年来,低成本的生物质材料作为一种可再生资源在碳质材料的制备中受到了广泛的关注。天然生物质材料通常具有丰富的微观结构,这为制备不同结构的碳材料提供了可能。此外,以这些生物质衍生碳作为LIBs的负极材料时,表现出较高的容量、良好的倍率性能和循环稳定性等。然而,尽管人们已采用各种制备方法对生物质材料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。但是目前压力下的碳化研究如自升压法和水热法等均属于热力学的单向行为,即温度控制压力,缺乏一种压力和温度可控状态下的碳化行为研究。基于此,本文采用静高压热解法,围绕不同压力和温度下玉米秸秆的碳化行为如结构、形貌以及电化学储锂性能进行相关研究,具体研究内容如下:(1)研究了不同温度和压力条件下,玉米秸秆茎和叶片的碳化行为以及对热解碳形貌和结构的影响。研究发现随着温度和压力的升高,两种热解碳的石墨化度、结晶度和有序度都有不同程度的提高。在相同条件下,秸秆茎热解碳的石墨化程度要高于秸秆叶片热解碳。此外,在温度和压力的作用下,秸秆茎热解碳易出现互联的大孔片状结构,秸秆叶片热解碳则易出现花瓣状颗粒结构。最后,我们以Van Krevelen图为依据,对压力下形成碳纳米片机制进行了推测。(2)将上述的碳材料作为锂离子电池负极,并对其电化学储锂性能进行了研究。我们发现,压力和温度的提升均降低了秸秆茎和叶片热解碳的首圈放电比容量,提升了首圈库伦效率,并且倍率性能变差。同时,温度对秸秆茎热解碳的可逆容量影响较大,随着温度的升高,秸秆茎热解碳的可逆容量有不同程度的降低,而压力对秸秆茎热解碳可逆容量影响较小。此外,在低压条件下制备的秸秆叶片热解碳可逆容量较高,压力的提升会导致叶片热解碳可逆容量的降低。经过电化学阻抗测试后发现温度和压力的提升,增强了两种碳材料的导电性能,但离子传输速率有所下降。(3)为了进一步提升热解碳负极的电化学性能,我们以玉米秸秆茎为碳源,在压力下制备了Co3O4(NiO)/C复合材料。研究发现,随着金属氧化物含量的增加,复合材料的无序度和缺陷程度升高。此外,Co3O4/C复合材料易产生球形纳米花状结构,而NiO/C复合材料易产生纳米片状结构。在此基础上,我们研究了Co3O4(NiO)/C复合材料的电化学性能以及储锂机制。
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