石墨化多孔炭材料的规模化制备及其在锂硫电池中的应用初探

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随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出,以环保和可再生为特质的新能源电化学存储系统逐渐得到广泛的关注。在现有的电化学储能电池体系中,单质硫作为电池正极的锂硫电池,其理论比容量可高达2600 Wh kg-1,是锂离子电池的8-10倍。此外,单质硫具有储量丰富、价格低廉及环境友好等突出优点使得该电池体系具有商业化价值。然而,单质硫不导电,无法直接作为锂硫电池的正极使用。为增强锂硫电池正极材料的导电性需要在单质硫中添加适宜的导电物质以此来提高正极的导电性。多孔炭材料具有较为发达的孔隙结构、优异的导电特性、较高的稳定性、结构可调、成本较低等优势。因此,锂硫电池正极材料中常引入多孔炭材料作为导电添加剂,一方面可以有效地解决单质硫导电性差的问题,另一方面可以更好的分散单质硫,减少流失,提高单质硫的利用率,进而提高电池循环性能和稳定性。这就要求多孔炭材料具有高比表、发达的孔隙和优异的导电率。事实上,这些结构因素之间往往相互矛盾、相互制约。孔隙结构发达将会引起材料导电性降低。为此,亟需开发一种新型的炭材料来平衡这些结构因素之间的跷跷板效应,使其孔隙结构和导电性同时达到最优化。本论文主要研究了高孔隙率、高石墨化度的多孔炭的设计和制备,并探讨了该类材料大规模制备的可行性。具体研究结论如下:(1)采用聚合物炭化法,以丙三醇为碳源,氯化铁为造孔剂及促石墨化催化剂,并引入醋酸锂为反应提供弱酸性环境,通过水热反应合成出棒状聚合物炭前驱体,并考察了反应温度和反应时间对材料形貌。将棒状聚合物经炭化、除铁等步骤,制备出孔道结构发达、具有一定石墨化结构的多孔炭材料,其BET比表面积为1675 m2 g-1,总孔容为4.0 cm3 g-1。以这种石墨化多孔炭与单质硫复合组装的锂硫电池,其放电容量在0.2 C的循环比容量为1269 mAh g-1,在0.5C下循环300圈后的容量高达890 mAh g-1。(2)探究了聚合物炭前驱体规模化制备工艺的可行性,批量合成出棒状聚合物炭前驱体,并将制得的浆料进行喷雾干燥成型,得到粒径约为20μm的粉末状颗粒。将聚合物样品经炭化、除铁得到的炭材料,其BET比表面积为1594 m2 g-1,总孔容为3.5 cm3g-1。并进行了XRD衍射、扫描电镜(SEM)等表征,数据表明与小釜合成样品保持很好的一致性。
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