淀粉基硬炭微球的制備及電化學性能研究.pdf

1、淀粉基硬炭微球的制備及電化學性能研究淀粉基硬炭微球的制備及電化學性能研究Studyonthepreparationelectrochemicalperfmanceofstarchbasedhardcarbonspherules一級學科：化學工程與技術學科專業(yè)：化學工藝研究生：李文斌指導教師：王成揚教授天津大學化工學院二零一二年六月摘要由于日趨嚴重的環(huán)境問題和化石燃料資源的日益緊缺，以生物質資源為原料制備炭材料成為一個重要的研究課題。淀粉

2、作為制備炭材料的原料，具有綠色環(huán)保、來源廣泛、可再生等特點。此外，淀粉顆粒具有天然的球型形貌，利用淀粉的這一特征可開發(fā)出球型炭材料的新型制備工藝，這對促進炭微球的研究與發(fā)展具有重要的意義。各種淀粉中，馬鈴薯淀粉顆粒具有最好的球型度，所以本文首先選擇馬鈴薯淀粉為原料，通過簡單的穩(wěn)定化和炭化過程成功地制備出保持了馬鈴薯淀粉顆粒形貌的球型炭材料。制備的球型材料是一種無序硬炭，其結構中存在一定數(shù)量的微孔。直接炭化馬鈴薯淀粉，淀粉顆粒會膨脹并且相

3、互融并。低溫穩(wěn)定化處理過程中，淀粉發(fā)生緩慢的脫水進程，同時淀粉分子鏈間發(fā)生交聯(lián)反應，當交聯(lián)反應進行到一定程度時，在隨后的炭化過程中淀粉顆粒不再發(fā)泡融并，從而保持了天然淀粉顆粒的形貌特征。本文中作者也確定了穩(wěn)定化過程中上述交聯(lián)反應的發(fā)生機理。另外，相比惰性氣氛中，空氣氣氛中穩(wěn)定化馬鈴薯淀粉可以加速其失重和脫水，從而可以顯著縮短穩(wěn)定化所需時間。本研究將制備的馬鈴薯淀粉基硬炭微球用作鋰離子二次電池的負極材料。隨著炭化溫度的升高，硬炭微球的可逆

4、和不可逆比容量均有所降低，首次效率增加。其中，700℃炭化的硬炭微球具有最高的可逆比容量，其值為572.4mAhg，其首次效率只有55.94%。1000℃炭化的硬炭微球0.5V以下的可逆比容量在三個樣品中最高，達到了355mAhg。1300℃炭化的硬炭微球具有最高的首次效率，其值達到了80.4%。更高炭化溫度制備的硬炭微球負極材料的倍率特性提升顯著。1300℃炭化的硬炭微球在大倍率放電時，放電曲線形狀的保持度和可逆比容量的保持率均為最高

5、，10C放電時，樣品可逆比容量達到了0.1C放電時的88.7%。此外，馬鈴薯淀粉基硬炭微球負極材料具有良好的循環(huán)特性，優(yōu)異的PC基電解液的兼容性，在空氣氛圍中長期儲存可以保持穩(wěn)定的電化學性能。以不同淀粉為原料，制備出了具有不同形貌和粒徑分布的硬炭微球負極材料。所制備的硬炭微球材料的化學成分和結構不受原料淀粉種類的影響。其電化學性能的差異主要由微球粒徑的差異而引起。較小粒徑的硬炭微球材料具有更高的可逆比容量和更好的倍率特性。具有最小粒徑的