稻壳预处理对制备C/SiO2材料电化学性能的影响

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传统碳材料理论容量较低,硅材料体积膨胀效应严重,两者单独使用均无法满足现在对电源的需求。然而碳/二氧化硅(C/SiO2)复合材料可以克服各自的劣势,以此来满足对电极材料的要求。稻壳是一种富含硅和有机碳且成本低、潜力大的生物质材料,它的成分与结构决定其能够制备优质的电极材料。稻壳中除了制备电极所需要的碳和二氧化硅之外,还含有其它的金属元素,这些金属元素会在稻壳碳化的过程中与二氧化硅发生反应,形成低熔点盐,这会粘结周围的材料,使得材料发生团聚,并且温度越高,团聚现象越严重。以往的研究主要注重制备C/SiO2复合材料电化学性能,而对残留金属元素对其电化学性能的影响重视不够,制备的材料金属元素含量超标。从材料中残余金属元素含量的角度研究C/SiO2复合材料的电化学性能变化,为稻壳生物质制备高性能的C/SiO2负极材料提供实验依据与理论支撑。首先将未预处理的稻壳直接高温碳化制备C/SiO2材料。随着碳化温度的升高,材料的团聚现象增强,比表面积下降,导致充放电比容量下降。在碳化温度600℃下,样品的首圈放电比容量为905.1 m Ah/g,充电比容量为443.2 m Ah/g,库伦效率为48.9%。其次采用去离子水浸泡对稻壳原料进行预处理,去除稻壳中水溶性金属元素。结果表明水预处理对稻壳中K元素的去除率达到了63%,对整体金属元素去除率为40%,并且有效降低了碳化过程中材料的团聚,从而增大了比表面积,加强了电极材料与电解液的接触,提高了材料的电化学性能。首圈放电比容量为1068.2 m Ah/g,充电比容量为523.9 m Ah/g,库伦效率为49.04%,经过100圈后容量为516.3 m Ah/g,库伦效率为99%。第三,采用无机酸和有机酸对稻壳原料进行预处理,然后碳化制备C/SiO2负极材料。结果表明,无机酸(盐酸和硫酸)预处理对稻壳中的金属元素去除效果要强于有机酸(乙酸);无机酸预处理能去除稻壳中95%以上的金属元素,并且碳化制备的C/SiO2材料的比表面积得到了大幅提升;经2.5 wt%盐酸预处理90 min后的稻壳在800℃下碳化2 h得到的样品首圈的放电比容量为1125.6 m Ah/g,充电比容量为709.4 m Ah/g,库伦效率为63.0%,经过100圈后容量仍保持为691.5 m Ah/g,库伦效率为99%。
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