随着石油资源的短缺及所带来的污染问题,以可再生资源替代石油产品来缓解其消耗成为当今发展的趋势,尤其是生物精炼行业的发展,越来越多的木质生物质被广泛利用。如何高附加值转化利用木质生物质资源是目前研究领域的热点之一,其中生物质衍生碳材料在能源领域的广泛应用深受广大学者的关注。本论文以木质生物质为原料(核桃壳,木质素),结合静电纺丝和界面改性方法制备出柔性自支撑的木质生物质衍生碳纳米纤维膜、富氧化碳膜和锂碳复合膜用于高性能锂离子电池,并对其电化学性能以及相关机理做了一些探索性的研究。具体工作有以下几个方面:(1)核桃壳衍生碳纳米纤维膜的制备及电化学性能研究。该工作以传统的木质生物质核桃壳粉为原料,制备出具有柔性自支撑的核桃壳衍生碳纳米纤维膜,并直接用于锂离子电池电极材料。研究发现聚乙烯醇(PVA)的含量和碳化温度对碳膜电极的电化学性能具有显著的影响。当PVA的含量或碳化温度增加时,碳膜的比表面积和类石墨结构降低,不利于锂离子的嵌入和脱出。综合考量,当PVA的含量在20%,碳化温度为800℃时,碳膜的整体电化学性能最佳。在0.03A g-1的电流密度下,充电比容量高达380mAh g-1与商业的石墨负极持平,并具有出色的倍率性能(在1A g-1和2A g-1的电流密度下具有190mAh g-1和180mAh g-1的可逆比容量)和长循环稳定性(在0.1A g-1的电流密度下循环200圈仍保持280mAh g-1的可逆比容量)。该工作以低成本的木质生物质为原料,开发了柔性自支撑碳膜并在锂离子电池中具有广阔的应用前景。同时,该方法也为木质生物质资源转化为高附加值碳材料提供了新的可行性。(2)基于贫锂复合负极Li/CNF活性锂消耗机制的研究。高能量密度的锂金属电池需要将锂金属的负载量降至最低(≤3mAh cm-2或<30μm=以提高电池的安全性和能量密度。而此前报道关于锂金属的文章大多使用块状锂金属,这不能代表实际的锂金属电池。该工作将有限的锂金属通过电化学沉积到柔性自支撑碳膜基体上(CNF),设计出贫锂复合负极Li/CNF(锂金属的量≤3mAh cm-2)并与正极材料NMC622组成锂金属全电池。使用电化学沉积法引入锂金属,一方面可以很好的控制锂金属的载入量,另一方面通过控制电化学沉积条件(如锂的沉积量和沉积速率)观察全电池电化学性能的变化,以及在不同电解液体系(有无添加剂)和不同电流密度下循环性能和稳定性的变化。研究发现在有限的活性锂下,贫锂复合负极在初始阶段消耗大量的锂金属,用于生成SEI膜或与电解液发生副反应,从而导致1mAh cm-2的活性锂在1C的电流密度下大约可循环23个周期。同时,随着沉积速率的增加,复合负极的循环性能变差,这是因为快速的沉积过程容易引起锂金属的不均匀沉积。XPS的结果表明,添加VC的电解液可以增加复合负极SEI膜的有机相和LiF的含量并减少Li2CO3的含量,进而提高全电池的稳定性。锂金属石墨复合负极的研究表明石墨可以延长活性锂的利用率并提供良好的循环性能,1000次循环后容量仍保持在75%,因此需要进一步研究以确定Li-C键合的化学环境来改善锂金属电池的循环寿命。该研究是基于有限的载锂量来研究锂金属全电池中负极的化学环境以改善锂金属的利用率,从而获得高能量密度的锂金属全电池。(3)富氧化木质素衍生碳膜贫锂负极的制备及电化学性能研究。该工作采用静电纺丝和表面臭氧改性制备了基于天然木质素衍生的柔性富氧化碳膜(OLCM)。低成本,可再生的木质素资源首次被用于制备亲锂性的碳骨架和储锂载体,并助力高能量密度的层状氧化物锂金属电池。通过定向的表面改性,在不影响碳膜载体整体结构的情况下,系统研究了富氧化木质素衍生碳膜贫锂负极(OLCM@Li)的电化学性能。研究发现OLCM表面均匀分布的含氧官能团,降低了锂金属的成核能,并提供了均匀分布的锂成核位点,以诱导锂金属在沉积过程中均匀成核和生长,进而表现出高而稳定的库伦效率(即230个循环周期下,库伦效率>98%)。在对称电池中,贫锂负极OLCM@Li具有长的循环稳定性(>1000h)和较小的电压区间(绝对值<20mV);当与高能量密度的层状氧化物NMC811正极组装全电池,可提供长的循环寿命和稳定的放电容量。与Cu和LCM这些疏锂性载体相比,OLCM在循环过程中降低了锂金属的消耗,因此在不同正负极容量比下,OLCM@Li‖NMC811全电池的循环稳定性能明显优于Cu@Li‖NMC811和LCM@Li‖NMC811,研究表明开发的轻质、低成本、柔性的木质素衍生碳膜在实际电池体系中具有应用潜力。(4)界面调控木质素衍生碳膜用于高性能锂金属电池的研究。该工作建立了一种简便的表面化学方法来调控大多数碳材料的熔融锂的润湿性(从非润湿性到超润湿性),并成功地在柔性轻质的木质素衍生碳膜表面引入亲锂层,制备了超薄的贫锂负极Li@CF。该贫锂负极比报道的载锂负极具有更高的实际容量(3222mAh g-1)和更低的锂金属载入量(5.4mg)。经深度的锂剥离/沉积后,Li@CF电极表面会形成致密的块状锂金属,从而有效地抑制锂金属在循环过程中的体积膨胀和枝晶的生长。因此,超薄的贫锂负极Li@CF不仅在对称电池中表现出较小的电压波动和优异的长循环稳定性,而且与无钴的层状氧化物Mg/Ti-LiNiO2组装成锂金属全电池,可提供高的可逆放电比容量,长循环性能以及良好的倍率性能。Li@CF电极表现出优异电化学性能归因于三个关键优势:1)均匀分布的亲锂层驱使熔融锂在衍生碳膜骨架上均匀分布;2)碳膜骨架上的亲锂层可以均匀稳定诱导锂离子成核并减轻锂枝晶的生长;3)衍生碳膜独特的微观结构为锂金属在充放电过程中提供了稳定的电解液/电极界面环境。因此,这种新开发的高效的化学策略或许可用于未来高能量密度锂金属电池中,为超薄锂负极的设计提供一个可行性的选择。