聚丙烯腈基硬碳的制備及其儲鋰鈉性能的研究(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鋰儲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序結(jié)構(gòu)，具有殘?zhí)柯矢摺?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能機(jī)理。本文以PAN為原料，通過工藝簡單的穩(wěn)定化和炭化過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，其儲鋰可逆容量逐漸下降，儲鈉可逆容量先上升后下降，首次庫倫效率和倍率循環(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，首次儲鋰可逆容量是348mAhg，首次庫倫效率為85%；首次儲鈉可逆容量是182mAhg，首次效率為74%。在0.8Ag下，儲鋰可逆容量為89mAhg，但儲鈉可逆容量在0.2Ag時就降為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，儲鋰和儲鈉性能都有顯著的提高。并通過比較不

4、同炭化溫度處理的碳納米纖維儲鋰與儲鈉性能的差異，發(fā)現(xiàn)PAN碳納米纖維在儲鈉方面與儲鋰有著相似的機(jī)制，都是在高壓斜坡區(qū)域儲存在類石墨層間，在低壓平臺區(qū)域儲存在納米孔中。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