聚丙烯腈基硬碳的制備及其儲(chǔ)鋰鈉性能的研究(1)

1、聚丙烯腈聚丙烯腈基硬碳硬碳的制備的制備及其及其儲(chǔ)鋰儲(chǔ)鋰鈉性能的研究能的研究Studyonthepreparationlithiumsodiumstageperfmanceofpolyacrylonitrilebasedhardcarbon學(xué)科專業(yè)：化學(xué)工藝研究生：金娟指導(dǎo)教師：王成揚(yáng)教授天津大學(xué)化工學(xué)院二零一五年六月摘要聚丙烯腈（PAN）基硬碳作為一種有機(jī)聚合物熱解碳，制備溫度較低，擁有大的層間距和無(wú)序結(jié)構(gòu)，具有殘?zhí)柯矢?、?dǎo)電性好、充放

2、電功效好、循環(huán)壽命高等優(yōu)點(diǎn)，成為首選的鋰鈉離子電池的負(fù)極材料。本文制備了不同形貌及微觀結(jié)構(gòu)的PAN硬碳材料與PAN木質(zhì)素復(fù)合硬碳材料，詳細(xì)研究了形貌及微觀結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)鋰鈉電性能的關(guān)系，探索了硬碳材料在鋰鈉離子電池中的儲(chǔ)能機(jī)理。本文以PAN為原料，通過(guò)工藝簡(jiǎn)單的穩(wěn)定化和炭化過(guò)程制備出核桃仁狀的新型硬碳微球，將其作為鋰鈉離子電池負(fù)極材料。隨著炭化溫度升高，其儲(chǔ)鋰可逆容量逐漸下降，儲(chǔ)鈉可逆容量先上升后下降，首次庫(kù)倫效率和倍率循環(huán)性能均有所提高。其

3、中，1250℃炭化樣品的綜合性能最佳：在0.02Ag下，首次儲(chǔ)鋰可逆容量是348mAhg，首次庫(kù)倫效率為85%；首次儲(chǔ)鈉可逆容量是182mAhg，首次效率為74%。在0.8Ag下，儲(chǔ)鋰可逆容量為89mAhg，但儲(chǔ)鈉可逆容量在0.2Ag時(shí)就降為20mAhg。本研究中還采用靜電紡絲法結(jié)合熱處理工藝制備出了PAN碳納米纖維。PAN碳納米纖維獨(dú)特的納米纖維形貌和三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使之與PAN硬碳微球相比，儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鈉性能都有顯著的提高。并通過(guò)比較不

4、同炭化溫度處理的碳納米纖維儲(chǔ)鋰與儲(chǔ)鈉性能的差異，發(fā)現(xiàn)PAN碳納米纖維在儲(chǔ)鈉方面與儲(chǔ)鋰有著相似的機(jī)制，都是在高壓斜坡區(qū)域儲(chǔ)存在類石墨層間，在低壓平臺(tái)區(qū)域儲(chǔ)存在納米孔中。但是由于鈉離子與鋰離子在離子尺寸及電負(fù)性上的差異，導(dǎo)致它們的倍率和循環(huán)性能有所不同。通過(guò)在PAN溶液中加入木質(zhì)素，在電紡的PAN木質(zhì)素復(fù)合碳納米纖維中引入了更多的缺陷結(jié)構(gòu)與孔結(jié)構(gòu)，大大提高了儲(chǔ)鈉容量，并改善了倍率和循環(huán)性能。含50wt%木質(zhì)素的復(fù)合纖維經(jīng)1300℃炭化處理后