核桃壳生物质碳及复合材料的电化学性能研究

作     者：郭健 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁策;宋相军

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 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：锂离子电池 负极材料 二硫化锡 溶剂热法 生物质碳 多孔碳球 

摘      要：锂离子电池（LIBs）在可携带电子器件和电动汽车中发挥着核心作用,凭借其大容量、高能量密度以及高工作电压的优点,为解决能源危机和环境污染问题作出了突出的贡献。虽然锂离子电池（LIBs）的研究已经取得了显著进展,但其在电力运输领域的应用,尤其是大容量和高能量的需求上仍面临挑战。因此,研究和开发具有更高性能和高功率密度的锂离子电池成为了研究领域的热门课题。值得注意的是,传统石墨电极的理论容量限定在372 m Ah g-1,这进一步提高了对于锂离子电池性能的迫切需求。二硫化锡（Sn S2）具有Cd I2型晶体结构,理论容量为1136 m Ah g-1,其全面的转化和合金化反应机制,显示出作为LIBs负极材料的巨大潜力。然而,Sn S2的导电性较差,极大地限制了其电化学性能。Li和Sn的合金化反应会产生巨大的体积膨胀,导致活性材料在充放电过程中破碎和脱落。 为了解决碳材料和Sn S2的这些缺点,本文提出了将核桃壳生物质碳与Sn S2制成复合材料的方法。其中,核桃壳生物质碳材料来自可持续再生的农业废弃物,这不仅是废物利用,而且在一定程度上减少了对自然环境的污染。将Sn S2与碳材料结合,不仅大幅度抑制了体积膨胀,而且大幅提升了负极材料的循环稳定性。本文主要研究内容如下: 首先对核桃壳无定形碳活化比例进行了研究。使用质量比1:1、1:2、1:4的K2CO3做活化剂,采用预碳化和碳化的过程制备了核桃壳无定形碳（WSPC）。通过对比分析,核桃壳与K2CO3质量比为1:2时,碳材料结构优秀,相比于其他两种材料电化学性能也更加突出,在0.2 C倍率下循环了100圈后容量稳定在861 m Ah g-1。其次使用不同表面活性剂制备了核桃壳纤维素碳球,非离子表面活性剂P123辅助合成的核桃壳纤维素碳球,尺寸统一,表面圆润光滑,并且有丰富的介孔结构。作为锂离子电池负极材料时,其展现出了优异的高比容量和良好的倍率性能,在0.2 C倍率下,循环100圈后,容量依然保持在867m Ah g-1,独特的碳球结构使其具有优异的长循环稳定性。 以核桃壳无定形碳为碳基底,使用一步溶剂热的方法合成了Sn S2@WSPC复合材料。研究了在溶剂热过程中的反应时间和反应温度对于Sn S2@WSPC复合材料的性能影响。最终确定了在反应时间为16 h,反应温度为200℃时Sn S2@WSPC复合材料性能最优,在1 C倍率100个循环后,放电比容量为1045 m Ah g-1。 通过溶剂热法,Sn S2成功生长在多孔碳球（PCS）表面,制得了Sn S2@PCS复合材料。在此复合材料中,多孔碳球不仅为Sn S2提供了坚固的支撑框架,提高了其导电性,而且其球形结构相较于无定形碳结构更加稳定,有效避免了体积膨胀和团聚的问题。当作为锂离子电池（LIBs）负极材料使用时,该复合材料展现了卓越的电化学性能,具有极佳的容量保持能力和循环稳定性。值得注意的是,在1 C倍率下经历100个充放电循环后,Sn S2@PCS复合材料能够维持高达1026 m Ah g-1的出色比容量。