硅藻土衍生硅碳负极材料的制备及其储锂性能研究

本文以管状和盘状两种天然硅藻土作为初始原料,制备了一系列硅藻土衍生硅碳负极材料,并采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)等测试手段系统表征了所制备样品的晶体结构、微观形貌及化学组成.将制备的硅藻土衍生硅碳负极材料作为活性物质组装为锂离子电池,对比了管状和盘状两种形貌对其储锂性能的影响,并详细考察了沥青衍生碳包覆层的加入量对硅碳负极材料比容量及循环稳定性的影响.测试结果表明,样品管DE-1∶3和管DE-1∶6在0.2 A g^(-1)较低电流密度下均具有较好的容量保持率,循环500次之后比容量分别可保持443 mAh g^(-1)和414 mAh g^(-1),而样品管DE-1∶6则在0.5 A g^(-1)较大电流密度下具有更好的结构稳定性.

氧化硼对Al_(2)O_(3)-SiC-C质浇注料力学性能的影响

为了利用氧化硼“间接烧结”特性,进一步提升Al_(2)O_(3)-SiC-C质浇注料的力学性能,以氧化硼(≤0.075 mm)为助烧剂,制备了以FM60莫来石颗粒、致密刚玉、碳化硅、α-Al_(2)O_(3)微粉等为主要原料的浇注料,探究了氧化硼细粉加入量(加入质量分数分别为0、0.2%、0.4%和0.6%)对Al_(2)O_(3)-SiC-C质浇注料结构与性能的影响。结果表明,添加氧化硼细粉会显著提升浇注料的加水量,但其有利于晶须状莫来石的生成,从而加强骨料和基质间的结合强度,试样的力学性能得到明显提升。但当氧化硼细粉加入量提高至0.6%(w)时,试样中莫来石晶须长径比减小,试样的强度降低。综合以上结果,氧化硼最佳加入量为0.4%(w)。

硅钢退火炉炉辊炭套结瘤机理研究及解决对策

冷轧硅钢在连续退火炉中进行脱碳、再结晶退火时,炭套辊表面经常出现结瘤,在高温下极易造成带钢产生凹坑缺陷,影响硅钢片的叠装系数,是硅钢成品的致命缺陷。本文通过对硅钢退火炉炉辊炭套结瘤进行深入机理研究分析,并据此提出控制炭套结瘤的解决对策。

圆珠笔笔芯脂的设计开发与性能评价

随着我国圆珠笔产能的不断提升,我国已逐渐成为世界公认的制笔大国。在国家有关部门及相关政策的大力扶持下,圆珠笔墨水和配件加工技术等阻碍我国圆珠笔行业自主化发展的技术壁垒逐步被打破,然而现阶段国内关于笔芯脂的研究仍处于起步阶段,中高端笔芯脂产品仍主要依赖于国外进口。为此,采用无机稠化剂和硅油基础油为原料,并辅以一定的改性剂增强其稳定性,研制出一款高性能笔芯脂产品,相较于国外某高端笔芯脂产品具有更好的高低温性、抗挥发性、黏温性和储存稳定性,通过装笔测试对其使用性能进行全面评价,研制的笔芯脂表现出良好的高低温稳定性、耐冲击性和书写随动性,能够全面满足圆珠笔的使用要求.

云南某含碳低磷中镁高硅磷矿浮选实验研究

云南某磷矿呈深灰色,矿石中含有无机碳源(石墨),w(P_(2)O_(5))为19.50%,w(MgO)为3.48%,w(SiO_(2))为30.41%,属低磷中镁高硅磷矿。采用一次脱碳浮选、一次脱硅粗选,一次脱硅扫选,一次脱镁浮选、脱硅扫选中矿返回脱硅粗选的闭路工艺,可以得到精矿w(P_(2)O_(5))为28.81%,P_(2)O_(5)回收率为57.75%的选别指标,实现了该类磷矿资源的有效回收,为同类矿产资源回收利用提供了借鉴。

构造凹陷的硅碳颗粒提高锂离子电池负极电化学性能

调控硅碳颗粒的表面形貌和孔隙结构,可以进一步优化锂离子电池负极性能,对开发下一代高比能锂离子动力电池具有重要意义。本工作以光伏工业硅废料为硅源,壳聚糖和酚醛树脂为碳源,以及氯化钙为形貌调控剂,采用喷雾干燥、液相包裹和低温热解法构造了表面凹陷的硅碳颗粒。利用热重分析仪(TGA)、扫描电子显微技术(SEM)和电化学技术等表征测试手段,对比分析了颗粒凹陷程度对负极电化学性能的影响。结果表明,具有较大孔容和表面凹陷结构的非球形颗粒制备的电极中,颗粒间隙小、接触面积大、导电添加剂填充充分,因此电极具有良好的导电能力和离子传输能力,有利于电池循环稳定性。表面凹陷颗粒制备的负极循环400圈后放电比容量保持在680 mAh/g左右。电极的倍率测试结果表明,当电流密度从0.1 C恢复到1 C时,表面凹陷颗粒电极的放电比容量最高恢复率达到了97.8%,充放电性能稳定有助于推动高振实密度硅基锂离子电池负极的应用。

硅钢退火炉高温钢丝炉辊的研究及实践

介绍了一种用于无取向硅钢退火炉的高温钢丝炉辊,新型钢丝炉辊表面无结瘤,无异常磨损,上线使用后能够替代传统炉底碳套辊,减少开炉检修次数,有效提升生产线作业效率。

锂离子电池硅碳复合负极结构的研究进展

锂离子电池具有能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、自放电率低等优点,是目前主要的电化学储能设备。商用锂离子电池负极材料为石墨,但石墨的低理论容量限制了锂离子电池性能的进一步提升。硅储量丰富,具有高理论容量和稳定工作电压等特点,是新一代锂离子电池最有前景的负极材料。硅基负极存在体积膨胀效应大、首次库仑效率低、电导率低和固体电解质界面膜不稳定等缺点,导致硅基负极循环稳定性较差,严重阻碍了其实际应用。通过具有良好稳定性和高电导率的碳修饰硅基负极制备硅碳负极能够有效克服上述问题,硅碳负极作为一种高理论容量的材料更有规模化商业前景。本文根据硅碳负极的结构设计,将近年来研究的硅/碳负极材料分为零维-纳米颗粒、一维-纳米线和纳米管、二维-层状结构和三维-微米级球体材料,并对不同结构的硅碳复合负极材料的结构和电化学性能进行了对比讨论。此外,本文还总结了现有硅/碳复合负极设计的进展和局限性,并展望了该领域的工业化前景。

壳聚糖衍生碳包覆纳米硅复合材料锂离子电池性能研究

硅负极材料因具有较高的理论容量(Li22Si5合金相对应4200 mAh/g)、较低的工作电压(0.2~0.3 V vs Li/Li+)和地球上丰富的原材料储备,成为代替石墨负极的理想材料之一。但是,低电导率及在循环过程中发生剧烈体积膨胀导致电极失效问题限制了硅负极材料的进一步发展。因此,本工作通过物理法利用壳聚糖和石墨对纳米硅实现碳包覆和复合,制备壳聚糖/石墨@纳米硅复合材料(C/G@Si复合材料),对C/G@Si复合材料的结构、形貌和电化学性能进行研究。结果表明:随着石墨添加量的提高,C/G@Si复合材料的可逆比容量略微下降,循环性能和导电性能显著提高。当添加50%(质量分数)石墨时,在100 mA/g的电流密度下,C/G@Si复合材料的首次放电比容量为1136.1 mAh/g,循环充放电100次后剩余容量保持在658.5 mAh/g,展示出优异的电化学性能,对进一步推广硅碳负极材料具有一定的参考价值。

煤气化渣基Fe/Cu双活性催化剂的制备及其在制浆造纸废水深度处理中的应用

以煤气化渣酸浸处理制备的碳硅介孔材料为载体,通过碳热还原法制备了Fe/Cu双活性非均相Fenton催化剂,对催化剂的制备工艺进行了优化,以对氯苯酚为模型物探究了其催化H_(2)O_(2)去除对氯苯酚及处理制浆造纸废水的效果。结果表明,在煅烧温度900℃,浸渍液浓度0.2 mol/L,Fe/Cu物质的量比2∶1的条件下制备的催化剂具有最高的活性,对于对氯苯酚的去除率可达96.8%;在初始pH值=5,H_(2)O_(2)投加量16 mmol/L,催化剂投加量1.25 g/L,反应时间120 min的条件下,废水的COD_(Cr)去除率67.8%,色度去除率97.4%,出水COD_(Cr)浓度63.13 mg/L。

基于响应面法的地热钻采碳纳米管复合水泥基材料的研究

针对现有导热固井水泥存在的性能不足问题,本文研制了一种新型地热钻采碳纳米管复合水泥基材料(CNTs-CC)。首先,选用石墨、氮化硅作为主要导热填料,硅微粉作为热稳定材料,碳纳米管作为协同增强填料,初步研制出纳米复合水泥材料基础液;其次,基于响应曲面法Box-Behnken试验设计,开展17组配比优化试验,构建了以2 d抗压强度和导热系数为响应指标的二次多项式预测模型,结合方差分析和响应曲面考察了各因素对响应指标的影响,并得到胶凝材料最优配比;最后,对复合水泥基材料的工程性能进行评估,并结合XRD与SEM研究了材料的水化机理。结果表明:复合水泥基材料的导热性能与抗压强度受多因素交互作用影响,其中早强剂与减水剂交互影响显著;CNTs-CC水泥石28 d抗压强度达8.15 MPa,导热系数为2.236 W/(m·K);导热填料不参与水化过程,碳纳米管粉可发挥“填充”及“桥连”效应,外加剂调控水化进程。

一种基于S型电磁超材料的高温温度传感器设计

针对目前超材料温度传感器存在的量程小且灵敏度较低的问题,设计了一种碳氮化硅基的S型超材料的高温传感器。通过CST电磁仿真软件对超材料温度传感器进行模拟仿真,在其他结构参数一定的情况下,对金属条的长度、宽度、厚度、条间隙及基板厚度等参数进行了设计与优化,确定了传感器结构的最佳尺寸,同时分析了传感器的谐振频率对温度的影响。结果表明,在28℃~1000℃下平均灵敏度可达5.674 MHz/℃。与之前报道的高温传感器相比,灵敏度提高了5倍,这种高灵敏度温度传感器可为航空发动机、武器装备等系统中的高温测试提供一种技术手段。

硅泥在锂离子电池中的应用研究进展

光伏切割硅废料——硅泥,因其低成本、二维片状结构和高比容量(4200 mAh·g^(-1))的优势成为300 Wh·kg^(-1)以上高能量密度储能电池核心硅碳负极材料的理想原料之一。然而,硅泥存在成分复杂、粒径较大、导电性差、稳定性低和电化学性能差的问题,需要进行系统改性处理。本文综述了硅泥在锂离子电池中的应用研究进展。首先,分析了硅泥中金属杂质和非金属杂质对电池性能的重要影响。其中金属杂质可通过磁选和酸洗去除,非金属杂质可通过液-液萃取和热处理去除。其次,详细阐述了纯化后硅泥的原始性能和改性方法。通过硅泥纳米化可以抑制其膨胀,其中包括研磨、刻蚀、电热冲击和合金-脱合金等方式;通过直接元素掺杂硅和掺杂硅表面碳层来提高导电性;通过构建惰性层、导电层和一定作用的官能团等表面改性提高稳定性;还可以通过硅碳复合获得稳固的机械支撑和保护。最后,提出了基于硅泥为原料的硅基负极面临的挑战和研发方向,展望了未来发展前景,旨在为硅泥变废为宝提供参考,推动高能量密度锂离子电池快速发展。

多元有机酸自组装硅碳复合材料用于高效储锂

相比于传统物理打浆式简易硅碳材料的复合,本工作利用自组装的方式让有机酸碳源材料与纳米硅粉进行内部结合,羧酸碳源保护层在抑制硅材料膨胀的同时,通过相互间串联起的网络增加导电性,得到稳定性更好的硅碳复合负极材料。该方法首先在纳米硅粉表面进行修饰,使其表面带上氨基,通过酰胺化反应,让柠檬酸与纳米硅键合。此外过量的碳源材料包附于外层,形成多个单纳米硅颗粒聚集的微米级多核卵壳型颗粒。这种结构使得该电极材料在电流密度500 mA/g下,经过600圈的长循环下具有1073.4 mAh/g的比容量。在2 A/g的电流密度下,初始比容量为751.2 mAh/g,在300圈循环后比容量维持在573.0 mAh/g,容量保持率为76.3%。该实验工作为锂离子电池硅碳负极材料的合成提供了一种简单低成本的实用性合成思路。

碳化硅纳米材料及其衍生碳在超级电容器领域的应用

超级电容器由于充放电速度快、循环寿命长、成本低、环境友好等特性在众多储能器件中脱颖而出。在各类电极材料中,碳化硅(SiC)纳米材料及其衍生碳因其高稳定性、优异的导电性等优势被认为是极具应用前景的超级电容器电极材料。本文首先系统地阐述了SiC纳米材料及其衍生碳的常用制备方法;然后,详细综述了SiC纳米材料及其衍生碳在超级电容器应用中的研究进展,总结“高导电碳材料复合”、“杂原子掺杂”、“赝电容材料复合”、“多级孔结构的设计”、“化学活化”等电化学性能的提升策略;最后,对SiC纳米材料及其衍生碳在超级电容器储能领域中应用存在的挑战和机遇进行展望。

用后铁沟料加入量对Al_(2)O_(3)-SiC-C质浇注料性能的影响

为提高用后耐火材料的再利用率,以棕刚玉、用后铁沟料、白刚玉、碳化硅、α-Al_(2)O_(3)微粉、SiO_(2)微粉等为主要原料,制备了Al_(2)O_(3)-SiC-C质浇注料。探究了用后铁沟料加入量(加入质量分数分别为0、14%、28%、42%和56%)对浇注料性能的影响。结果表明,随用后铁沟料加入量的增加,浇注料的加水量显著增加,试样经1450℃保温3 h热处理后由膨胀转变为收缩,试样经110℃保温24 h及1450℃保温3 h热处理后的体积密度、常温抗折强度、抗侵蚀性能均呈现下降趋势,但当用后铁沟料加入量不超过28%(w)时,性能下降幅度较小。将用后铁沟料加入量为28%(w)的浇注料用于1080和1350 m3高炉铁沟支沟与渣沟,取得了良好服役效果,主体结构服役周期大于70 d。

硅包覆碳点基柔性发光太阳能聚光器的制备与性能研究

碳点由于环境友好、经济适用、合成方法简单及光学性能优异而在发光太阳能聚光器领域受到越来越多的关注。然而,碳点与亲水性聚合物波导材料相容作为发光基质时,多数碳点在聚合物中的相容性差,以及亲水聚合物的易脆性等问题严重限制发光太阳能聚光器的实际应用。为了解决这些问题,本文利用3-氨丙基三乙氧基硅烷的水解缩合,与邻苯二甲酸、邻苯二胺共同合成了一种斯托克斯位移为150 nm、量子产率为10.94%,且具有良好分散性和相容性的亮黄色发射硅包覆碳点;同时,以具有良好相容性、高柔韧性的聚二甲基硅氧烷为波导材料,二者结合制备出一系列尺寸为3 cm×3 cm×0.1 cm,不同质量百分比的硅包覆碳点柔性发光太阳能聚光器,其中,性能最佳的太阳能聚光器能量转换效率可达1.05%。这项工作将硅包覆碳点与聚二甲基硅氧烷的优势相结合,对发光太阳能聚光器实际应用有潜在价值。

多孔硅碳复合材料的制备及性能改善

硅基负极材料存在体积膨胀、表面稳定性差和导电性低的问题。通过硅形貌调控、立体导电网络构筑、多孔结构构造和碳包覆的方法,制备了多孔硅碳复合材料。基于硅不同晶面离解能的不同,球磨获得硅纳米片。将含硅纳米片、碳纳米管(CNT)和石墨的浆料,喷雾干燥,获得硅纳米片和CNT自组装形成多孔结构。对多孔结构进行液相碳包覆,使多孔结构内的纳米硅和整个多孔结构表面形成碳包覆层,获得多孔硅碳复合材料。扣电测试显示,该材料可逆比容量为1000.8 mAh/g,首次循环效率高达93.9%,全电测试显示优异的1 C特性和较好的循环稳定性,这主要得益于立体导电网络的构建、多孔结构的构造和双重碳包覆的形成,提高了硅基材料的导电性,缓解了体积膨胀,提高了表面稳定性。

生物质碳-硅复合负极材料的电化学性能

生物质碳具有独特的孔结构,较大的层间距,可加速Li+在无定形碳中的扩散速度。采用纳米硅、沥青、生物质碳,通过喷雾造粒、高温热解法制备生物质碳-硅复合负极材料。通过XRD、SEM、表面分析研究材料的表面形貌特征;通过恒流充放电等实验研究电化学性能。该材料制备扣式电池的首次充电比容量达到1 692.5 mAh/g,首次库仑效率为90.7%。制备的18650型电池在2.75~4.20 V循环,以1.00 C循环616次的容量保持率为91.44%;以0.50 C充电、1.00 C放电循环447次的容量保持率为94.48%,高于沥青碳-硅复合材料的84.90%和91.98%,说明该材料的倍率性能较好。

中空三维结构的硅碳负极的构筑及性能研究

硅碳材料作为高能量密度的锂电负极材料备受瞩目,但由于硅在充放电过程中巨大的体积膨胀效应,导致了其循环性能差,限制了其商业化应用。本工作利用薄层石墨柔性结构的特点,与纳米硅进行复合制备了中空结构的硅碳复合物,并通过对薄层石墨和纳米硅分别用含有羧基的羧甲基纤维素(CMC)和含有氨基的正硅酸乙酯(TEOS)进行表面修饰。相比于传统的机械混合工艺制备的硅碳负极材料存在纳米硅与碳材料复合不均一的问题,本工作修饰后的纳米硅与薄层石墨之间通过静电自组装作用,可形成更为均一的纳米硅与薄层石墨的复合物(S/MG)。通过造粒技术,构筑了由纳米硅/薄层石墨片层组成的中空结构的硅碳复合物颗粒,而颗粒外部由碳层进行包覆。通过SEM切片、EDS以及高分辨TEM等表征手段,可以看到颗粒内部由纳米硅与薄层石墨层结构构筑了微米尺寸的中空结构,该结构内部不但形成了导电的三维网络结构,而且为纳米硅的体积膨胀提供了充足的缓冲空间,从而大幅提升了硅碳负极材料循环稳定性。相比于传统石墨取代薄层石墨与纳米硅制备的硅碳复合物,薄层石墨制备的硅碳负极的比容量达到958 mAh/g,扣电在0.5 C下循环500次后容量保持率可维持在88%左右。本文作者也从实用角度评价了S/MG全电循环性能,与三元NCM811正极材料组装成的软包全电池,在1 C倍率充放电下,循环1000周后电池容量保持率可达86%,可为高能量密度锂电技术的研究提供实验依据。