褐煤基硬炭微观结构调控及其储钠特性

煤炭的多元化清洁高值利用对促进我国煤炭工业低碳可持续发展具有重要作用,而煤的材料化是提升煤炭清洁高效利用水平的重要途径之一。充分利用褐煤含芳环结构、原生孔隙发达、表面活性基团丰富等特点,通过高温炭化(1000~1600℃)处理华亭褐煤制备出褐煤基硬炭,探究褐煤基硬炭中类石墨微晶、无定形碳与纳米孔及表面官能团等缺陷结构在高温炭化过程中的形成机制与演变规律,揭示炭化温度对煤基硬炭微观结构的影响,并通过恒电流充放电、恒电流间歇滴定及循环伏安测试等研究不同褐煤基硬炭用作钠离子电池负极材料的电化学性能,探索微观结构对负极材料电化学储钠性能的影响机制及褐煤基硬炭的电化学储钠机理。研究表明,通过调节炭化温度可实现对褐煤基硬炭中类石墨微晶、无定形碳、纳米孔、含氧/含氮官能团等缺陷结构的调控。当炭化温度为1400℃时,所制褐煤基硬炭LHC-1400富含合理层间距(0.371 nm)的类石墨微晶,兼有适宜含量的无定形碳和纳米孔等缺陷结构,其比表面积为4.92 m^(2)/g,且含有C—O、C=O、O—C=O及吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等含氧/含氮官能团。该硬炭用作钠离子电池负极材料的可逆容量达275 mAh/g,且在0.2 A/g电流密度下可逆容量为111 mAh/g,经200次循环后容量保持率仍可达96%,展现出良好的倍率性能和循环稳定性。褐煤基硬炭优异的储钠性能与其不同微观结构所发挥的功能与作用密切相关。硬炭中合理层间距的类石墨微晶可为Na^(+)的快速嵌入/脱出提供传输通道,以插层储钠来提供容量;硬炭中的无定形碳、开放的纳米孔和含氧/含氮等缺陷结构可为Na^(+)存储提供足够的活性位点,以吸附储钠来贡献容量;而硬炭中少量封闭孔则可为Na^(+)的存储提供足够的空间,以填充储钠来提供容量。褐煤基硬炭中“吸附-插层-填充”3种储钠方式相互协同,最终实现其高效的电化学储能。

玉米芯电容炭的制备及其电化学性能

以玉米芯为原料,经Zn Cl_2一步活化法制备超级电容器用电容炭电极材料。采用低温N_2吸附、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)等手段系统表征电容炭的微观结构及表面性质,并利用恒流充放电、循环伏安和漏电流等测试手段研究其在无机电解液体系(KOH)中的电化学性能。研究表明:在Zn Cl_2/玉米芯浸渍比为2:1、700℃的条件下活化1h可制备出比表面积为1340m^2/g、总孔容为1.135cm^3/g、中孔率高达97.7%的玉米芯电容炭。将其用作电极材料表现出良好的电化学特性,在50m A/g的电流密度下质量比电容为159F/g,2500m A/g电流密度下比电容仍可达137F/g,1000次循环后比电容保持率为92.5%,漏电流仅为1.9μA。结果表明:玉米芯电容炭具有良好的倍率特性和循环性能,是一种理想的电化学电容器用电极材料。

废茶叶基活性炭的制备及其电化学性能研究

以废茶叶的炭化料为前驱体,KOH为活化剂(碱炭比1∶1、2∶1、3∶1),在800℃下活化1h制备双电层电容器用活性炭电极材料。利用扫描电镜、低温N2吸附对活性炭的形貌、孔结构进行表征,采用恒流充放电、循环伏安和交流阻抗等测试方法评价其在3mol/L KOH电解液中的电化学性能。结果表明,3种活性炭比表面积、总孔容和中孔率最高分别达1 900m2/g、0.919 4cm3/g和35.7%;3种活性炭电极材料在0.055 6 A/g电流密度下的比电容分别为202F/g、255F/g、194F/g,电流密度增加到2.780A/g时,电容保持率分别为84.2%、67.1%、86.6%;等效串联电阻仅为0.10~0.12Ω;在碱碳比为2∶1时制备的活性炭电极材料在2.363A/g下比电容为148F/g,经1 000次循环充放电后,其质量比电容为147.7F/g,电容保持率高达99.3%。

兰炭基硬炭的微观结构调控及储钠性能

目前硬炭大规模生产主要受到制备工艺的限制。以兰炭为原料,经硫酸铵一步水热处理后进行1400℃高温炭化,制备兰炭基硬炭,采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸附、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法分析了兰炭基硬炭的微观结构及表面官能团等在硫酸铵水热处理与高温炭化过程中的演变规律,并通过恒流充放电、恒电流间歇滴定以及循环伏安测试等方法研究不同兰炭基硬炭用作钠离子电池负极材料的电化学性能,探索微观结构对负极材料电化学储钠性能的影响机制及兰炭基硬炭的电化学储钠机理。结果表明:通过调节硫酸铵水热处理温度可以精准调控兰炭基硬炭中各碳相的相对含量,从而达到提高其储钠性能的目的;当水热处理温度为260℃时,得到的样品(NLC-260)具有较高含量的伪石墨结构(32.4%)以及适量的无序结构(36.4%),表现出最佳的电化学性能,在20 mA/g的电流密度下可逆容量可达294.0 mAh/g,首次库伦效率高达83.0%,经1000次循环后容量保持率仍可达79.6%。