【摘 要】
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电极材料是影响锂离子电池低温性能的重要因素,在负极方面,锂离子在石墨负极的扩散是限制锂电池低温性能的重要瓶颈之一。与石墨材料相比,无定形炭材料具有良好的离子扩散性能,是优选的一类低温锂离子电池负极材料。但其比表面积、层间距、结构缺陷等都会对材料的低温性能产生影响,因此探索无定形炭材料中锂离子的扩散规律对负极材料开发是十分必要的。本文以煤沥青为原料,在不同温度下进行炭化,制成了不同炭化温度的煤沥青炭
【基金项目】
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硬炭负极材料锂离子低温扩散机制及其制备研究,国家自然基金(21808095);
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电极材料是影响锂离子电池低温性能的重要因素,在负极方面,锂离子在石墨负极的扩散是限制锂电池低温性能的重要瓶颈之一。与石墨材料相比,无定形炭材料具有良好的离子扩散性能,是优选的一类低温锂离子电池负极材料。但其比表面积、层间距、结构缺陷等都会对材料的低温性能产生影响,因此探索无定形炭材料中锂离子的扩散规律对负极材料开发是十分必要的。本文以煤沥青为原料,在不同温度下进行炭化,制成了不同炭化温度的煤沥青炭材料;然后以煤沥青为炭源,尿素为造孔剂和氮源,Si O2为模板合成了氮掺杂多孔炭材料;最后通过沥青辅助g-C3N4炭化,得到了高氮掺杂的无定形炭材料;研究了制备工艺以及元素掺杂对三种炭材料的微观结构和低温电化学性能的影响,研究表明:随着炭化温度升高,层间距逐渐减小,无定形程度逐渐减小,比表面积和孔容积也逐渐减小,首次库伦效率和容量保持率逐渐提高,放电比容量降低。低温下锂离子在层间扩散困难是锂离子电池负极材料在低温下容量下降的主要原因。四个样品中,沥青在800℃炭化,低温下充放电比容量最高,在25℃、0℃、-20℃和-40℃的放电比容量为335、272、232和187 m Ah/g,其中-40℃下可以保留常温放电比容量的55.8%,无定形炭材料在低温下充放电性能较好。随着尿素添加量的增多,无定形程度增加,层间距逐渐减小,孔体积和比表面积先增大后减小。添加量为20%时获得最大比表面积为167.64 m~2/g,微晶层数~5层,获得了微晶片层少且比表面积大的多孔炭材料,但是通过尿素掺杂,氮掺杂量较少。随着尿素添加量的增多,材料在低温下的放电比容量呈现先上升后下降的趋势,与比表面积变化规律相似,即大比表面积有利于材料在低温下充放电性能的发挥。其中尿素添加量为20%时获得的PN-2低温下放电比容量最高,在25℃、0℃、-20℃和-40℃下的平均放电比容量为372、295、254和197 m Ah/g。随着g-C3N4添加量的增加,衍射峰强度逐渐降低,无定形程度逐渐增大,层间距逐渐增大;氮含量逐渐提高,最高氮掺杂含量达到10.93%,氮的存在形式以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮为主;比表面积和孔容积呈先增大后减小趋势,其中沥青与g-C3N4比例为1:1时具有最大的比表面积和孔容积,分别为106.38 m~2/g和0.295 cm~3/g。随着g-C3N4添加量的增加,材料在低温下的放电比容量呈现先上升后下降的趋势,与比表面积变化规律相似。其中g-C3N4和沥青比例为1:1时在低温下取得最高的放电比容量,-40℃和-60℃下的放电比容量分别达到235和161 m Ah/g。首次库伦效率提升有利于低温下炭材料容量的发挥,高氮元素掺杂除了提高储锂容量外,还在一定程度上增大了首次库伦效率。该论文有图46幅,表13个,参考文献119篇。
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