空心多孔碳球的微波制备及在储能领域中的应用

• 作 者: 邹十美
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 空心多孔碳球 微波制备法 锂离子电池 锂硫电池

空心多孔碳球是一类具有低密度,大孔体积,高比表面积等特殊结构的碳材料,在气体储存,吸附,药物输送,催化剂,纳米反应器,能量转换与储存等许多领域存在着广泛的应用。传统的制备空心多孔碳球的方法大部分条件要求较为严格或者程序较为复杂。本文提出了微波协助法制备空心多孔碳球,以酚类和醛类物质反应得到的酚醛树脂（RF）作为碳前躯体,正硅酸乙酯（TEOS）为模板来源,添加氨水作催化剂,十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作表面活性剂,在微波条件下通过一步法得到聚合物/二氧化硅/表面活性剂（PSS）的复合物,再通过后续碳化以及去模板步骤来制备得到空心多孔碳球。该方法简单,省时且反应条件温和（在低温常压下进行）。通过XRD进行结构分析确定材料为低石墨化的无定形碳。碳材料形貌及碳球的尺寸可以简单的通过改变原料中水和乙醇的比例来调节。空心多孔碳球的直径随着水乙醇比的增大而逐渐减小。通过SEM和TEM进行了相应碳材料的形貌及微观结构的观察,发现制备得到的空心多孔碳球分散性好,尺寸均匀,具有较大的空腔体积,碳球壳上分布着丰富的微介孔。氮气吸附解析等温线以及孔径分布曲线计算结果同样表明试样具有较大的比表面积及丰富的孔穴。空心多孔碳球作为锂离子电池负极材料展示了较好的电化学性能。恒电流充放电曲线的测试结果表明,所有试样的可逆容量均大于商业石墨阳极的理论容量(372mA h g^-1),并表现出较好的容量稳定性。其中HPC-3试样的首次容量约为1750 mA h g^-1,可逆容量最高,约为750 mA h g^-1,100次循环后的容量保持率约为97%（相对于第二次循环的放电容量）,库伦效率为97.5%。此外,倍率性能和大电流放电性能也较好。电化学阻抗谱（EIS）结果显示HPC-3具有最小的电荷转移阻抗（Rct）,即具有较快的电荷转移速率。空心多孔碳球应用在锂硫电池正极展示了其结构优势。不同的工艺参数得到的锂硫电池的性能不一样。本文探讨了不同形貌的碳材料,不同种类及不同比例的粘接剂对锂硫电池性能的影响。通过实验发现采用聚偏氟乙烯（PVDF）与聚氧化乙烯（PEO）组合粘接剂的电池性能最佳,粘接剂的比例对电池性能的影响不大。