【摘要】：鋰硒電池是一種基于硒與鋰發(fā)生多電子氧化還原反應(yīng)原理工作的能量存儲(chǔ)裝置,理論質(zhì)量比容量為675 mAh g~(-1)、理論體積比容量為3254 mAh cm-3,因而被認(rèn)為是一種有前景的高比能量二次電池體系。然而,該電池正極存在活性物質(zhì)利用率低、充放電過程中體積變化大、循環(huán)穩(wěn)定性變差、庫倫效率低以及電子電導(dǎo)率和離子傳輸速率相對(duì)較低等問題。利用多孔碳材料的導(dǎo)電骨架、豐富孔隙和高比表面積等優(yōu)勢(shì),將其作為硒正極材料的載體,已被視為一種提高含硒復(fù)合物電化學(xué)性能的有效方案。采用低成本、來源綠色的生物質(zhì)取代傳統(tǒng)化學(xué)試劑作為碳源并篩選簡(jiǎn)單的工藝可以有效地降低制備成本、拓展生物質(zhì)基多孔碳材料的應(yīng)用潛能,符合環(huán)境友好的理念。本論文中,以生物質(zhì)為原料通過KOH活化法制備多孔碳材料,將硒與多孔碳材料復(fù)合制備了硒/多孔碳復(fù)合物,測(cè)試該復(fù)合物作為鋰硒電池正極材料的電化學(xué)性能,并探究了碳材料孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)及孔結(jié)構(gòu)對(duì)鋰硒電池電化學(xué)性能的影響。主要內(nèi)容包含如下兩個(gè)方面:(1)選取柚子內(nèi)皮為原料,采用預(yù)碳化和KOH活化兩步法制備了大孔-微孔碳材料(MMPBc),以該碳材料為負(fù)載單質(zhì)硒的基底制備了硒/大孔-微孔碳復(fù)合物(Se/MMPBc)。研究了 KOH用量對(duì)碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)及相應(yīng)碳/硒復(fù)合物電化學(xué)性能的影響,并根據(jù)硒/大孔-微孔碳復(fù)合物的電化學(xué)性能,篩選出KOH固體與柚子內(nèi)皮預(yù)碳化產(chǎn)物的最優(yōu)質(zhì)量比為2:1。當(dāng)KOH固體與柚子內(nèi)皮預(yù)碳化產(chǎn)物的質(zhì)量比為2:1時(shí),在135 mA g~(-1)的電流密度下、對(duì)應(yīng)的Se/MMPBc復(fù)合物電極的首次放電比容量為848.5 mAh g~(-1),第二圈可逆比容量為577.8 mAh g~(-1),經(jīng)過300次充放電循環(huán)后,可逆放電容量仍達(dá)451.5 mAh g~(-1),相當(dāng)于第二圈放電比容量的78.1%。與文獻(xiàn)中的類似研究結(jié)果相比,該工作電極的優(yōu)異的倍率性能,進(jìn)一步說明:篩選出的MMPBc多孔骨架具有良好的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;對(duì)應(yīng)的Se/MMPBc復(fù)合物具有較好的電化學(xué)活性、電極材料優(yōu)良的循環(huán)性能和倍率性能。這可能是因?yàn)?柚子皮作為天然生物質(zhì)所制備的多孔碳材料含有一定的氧元素,碳材料表面氧摻雜可以增加對(duì)活性物質(zhì)的吸附作用;此外,MMPBc多孔骨架豐富的微孔有效地固定了活性物質(zhì),而其大孔可以使電解液充分滲入到電極材料的內(nèi)部;在縮短鋰離子擴(kuò)散路徑的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步緩沖了充放電過程中活性物質(zhì)的體積變化,維持了電極材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。(2)選取商業(yè)堿性木質(zhì)素為原料,根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化并通過簡(jiǎn)易的一步碳化-活化法制備多孔碳材料(LPC),該多孔碳骨架的比表面積和微孔孔體積分別為1810.8 m2 g~(-1)和0.75 cm3 g~(-1)。將多孔碳材料LPC與單質(zhì)硒經(jīng)熱處理復(fù)合,制備了硒/多孔碳復(fù)合物(Se/LPC)。將Se/LPC復(fù)合物用作鋰硒電池的正極,系統(tǒng)化研究其電化學(xué)性能。在0.5 C(1C = 675 mA g~(-1))電流密度下,Se/LPC復(fù)合物電極的恒電流充放電循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明:第2圈可逆放電比容量為596.4 mAh g~(-1),經(jīng)過300次循環(huán)后可逆比容量還有453.1 mAh g~(-1),從第2圈到第300圈平均每個(gè)循環(huán)容量衰減為0.08%,且?guī)靷愋式咏?00%。在不同電流密度和高倍率下的充放電循環(huán)測(cè)試結(jié)果,進(jìn)一步證實(shí)Se/LPC復(fù)合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。循環(huán)伏安曲線中只有一對(duì)氧化/還原峰,表明Se和Li2Se之間的轉(zhuǎn)變是一個(gè)單相轉(zhuǎn)變過程。由于堿性木質(zhì)素能夠在KOH溶液中溶解,使得KOH對(duì)木質(zhì)素的致孔作用效果明顯,KOH:木質(zhì)素的質(zhì)量比在0.5-2.0范圍內(nèi),相應(yīng)的Se/LPC復(fù)合物電極均具有較高的比容量和良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。此外,LPC的高比表面積、豐富微孔和氧元素?fù)诫s對(duì)單質(zhì)Se具有負(fù)載、吸附作用,該多孔碳骨架的良好導(dǎo)電性、對(duì)應(yīng)復(fù)合物電極在不同電化學(xué)狀態(tài)下的較小的電荷傳輸電阻等,是Se/LPC工作電極具有優(yōu)異電化學(xué)性能的主要原因。總之,以天然生物質(zhì)材料柚子內(nèi)皮和木質(zhì)素為原料、以KOH為致孔劑,可為鋰-硒電池正極的制備提供一種環(huán)境友好、成本低廉的思路,闡明了生物質(zhì)基多孔碳材料的潛在應(yīng)用價(jià)值。
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【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

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2 符若文;李爭(zhēng)暉;梁業(yè)如;李峰;徐飛;吳丁財(cái);;層次孔炭材料的設(shè)計(jì)制備及其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用(英文)[J];新型炭材料;2011年03期

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本文編號(hào)：2405353