煤系重质有机物制备硬炭及其储钠性能研究

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由于钠离子电池在大规模储能领域的良好表现,近年来有关钠离子电池体系的研究受到越来越多的从业人员的关注。高能量密度、低成本、良好的安全性是其研发的重要目标,影响这些性能的重要因素之一是合适的负极材料。硬炭被认为是储钠最理想的选择。用于制备硬炭的原料有很多,其中煤系重质有机物来源广泛、残炭率高,是一种优质的碳源前驱体。本文采用煤直接液化萃取物为原料,在路易斯酸的催化下,通过傅里德-克拉夫茨(傅-克)烷基化反应进行原料的化学交联处理,所得交联产物经过简单的炭化制备硬炭材料。并以同系的煤沥青(CTP)、洗油(WO)和蒽油(AO)为原料采用相同的方法制备硬炭,证明了此方法的普适性。具体工作及结果如下。以煤液化萃取物(CLR)为原料,通过化学交联及炭化处理成功制备了硬炭材料,将其用于钠离子电池负极。结果表明,化学交联处理可以引入大量的甲氧基,产生的三维结构有效地阻碍了CLR在高温炭化中的石墨化倾向,使材料变得更无序,且产生更多的缺陷位。电化学测试表明,当电流密度为0.03 A g-1时,与直接炭化样品CLR-1600相比,经化学交联处理,在1600℃的条件下炭化得到的硬炭样品hc-CLR-1600的比容量提升约2.5倍(达到309.7 mAh g-1);首效提高约25%(达到68.36%)。样品hc-CLR-1600循环100圈后,充电比容量达261.6 mAhg-1,容量保持率为86.4%,具有良好的循环稳定性。hc-CLR-1100展现了最优异的倍率性能,当电流密度提高到1.5 A g-1时,仍然具有100.4 mAh g-1的比容量。以CTP、WO和AO为原料,采用上述相同的处理方式成功制备硬炭材料,得到的硬炭用于钠离子电池负极。结果表明,无论是煤沥青,还是洗油蒽油,化学交联处理都引入了大量的甲氧基,形成了三维结构的交联产物,位阻效应阻碍了在高温炭化中的石墨化倾向,得到结构无序的硬炭,证明了这一方法的普适性。电化学结果表明,当电流密度为0.05 A g-1时,与直接炭化样品CTP-1500相比,经化学交联处理,在1500℃的条件下炭化得到的硬炭样品hc-CTP-1500的比容量提升约2.5倍(达到348.2 mAh g-1);首效提高约22%(达到64.59%)。样品hc-CTP-1500循环100圈后,仍然具有261.6 mAh g-1的比容量,容量保持率为86.2%,具有良好的循环稳定性。hc-WO-1500和hc-AO-1500在0.05 A g-1的电流密度下,比容量分别为264.6 mAh g-1和284.8 mAh g-1;首效分别为42.53%和64.43%。表现出优异的电化学储钠性能。
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