沥青基碳复合材料结构设计及储锂性能研究

作     者：马江凯 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：聂毅;任保增

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：沥青 碳结构 复合材料 储锂性能 

摘      要：随着电动汽车、混合动力汽车及便携式电子产品的快速发展,传统石墨类锂电负极材料难以满足储能市场的迫切需求,亟待寻找能提升石墨类电极容量的活性材料。硫化铁(FeS)、硅(Si)等活性材料的理论比容量较高,有望成为下一代锂电负极材料,但因其导电性差和体积膨胀等问题,难以广泛应用。研究者们一般通过网络骨架设计、空隙空间处理、致密化工程和表面改性四种碳结构设计方法来改非碳活性材料导电性差和体积膨胀等问题。本文以沥青为原料,分别采用网络骨架结构设计和孔隙空间处理成功合成FeS嵌入互联碳基体复合材料(FeS@C NW)和Si嵌入中间相炭微球复合材料(Si@MCMB),改善了沥青基碳材料的电化学性能。在此基础上,本文还分别探究了碳含量(FeS含量)和空隙结构对电化学储锂性能的影响。本研究以石油沥青为碳源,采用网络骨架结构设计的方法构造了一种FeS嵌入互联碳基体复合材料(FeS@C NW),改善了沥青基碳材料的充放电比容量、倍率性能和导电性能等。FeS@C NW具有FeS嵌入式互联碳基体结构,设计特点是FeS晶体的形成过程伴随着互联碳基体结构的同步组装。互联碳基体结构有助于提高电荷转移速率,进而改善FeS材料的导电性,最终提升碳复合材料整体的倍率性能和充放电容量等。此外,在高压反应釜体系中按不同比例添加沥青、油酸铁和升华硫,可制备得到不同FeS和碳比例的FeS@C NW,进而探究碳含量对电化学储锂性能的影响。结果表明,55.26%FeS@C NW负极在0.2 A g的条件下循环120次后可以达到631 m Ah g的容量,材料的充放电容量得以提升;55.26%FeS@C NW负极在0.2、0.5、1、2和4 A g的电流密度下,平均可逆放电比容量分别为600、548、517、502和446 m Ah g;55.26%FeS@C NW负极Rct值为58.2Ω,远低于FeS的Rct值(77.5Ω),材料的导电性得到改善。研究以中间相沥青为碳源,采用孔隙空间处理的方法构造了一种Si嵌入中间相炭微球复合材料(Si@MCMB),改善了沥青基碳材料的充放电比容量、倍率性能和循环性能等。Si@MCMB具有Si嵌入式中间相炭微球结构,其中硅油体系的分散作用使MCMB的形成与Si的嵌入同步进行。MCMB具有独特的碳层和孔隙结构,Si的嵌入使MCMB的充放电容量增加,同时MCMB可为Si的体积膨胀提供缓冲空间,两者相辅相成,最终提升了碳复合材料整体的倍率性能和循环性能等。控制Si含量在一定范围,通过不同炭化温度(800℃-1300℃)处理,可得到不同孔隙体积的Si@MCMB,进而研究Si@MCMB的空隙结构对电化学储锂性能的影响。对比四种不同孔隙体积的Si@MCMB,Si@MCMB-1200℃的BET比表面积和孔隙体积分别为9.884 mg和0.003 cm3g,应用于锂离子电池负极,表现出较好的循环性能和倍率性能,在0.2 A g的电流密度下,200次循环后放电容量高达421.1 m Ah g,即使在3.2 A g的高电流密度下,仍能表现出252.5 m Ah g的放电容量,碳复合材料的充放电性能得以提升。