孔结构对软碳负极储锂性能的影响

软碳具有倍率性能好、储锂容量高、与电解液相容性好等优点,是快充型锂离子电池理想的负极材料。通过造孔处理可以进一步提高软碳的储锂能力,增加其可逆容量,但目前缺少对孔结构与其电化学性能相关性的系统性研究。因此,本论文通过对软碳前驱体材料进行优选,分别以锦州针状焦和日本JEF针状焦为原材料,制备了具有不同孔结构的软碳材料,并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼光谱(Raman)及氮气等温吸附等表征手段,解析了两者微观结构的差异性。同时,采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GCPL)、交流阻抗(EIS)及电化学滴定(GITT)等电化学分析方法,研究了孔径分布对软碳电化学性能的影响。结果表明,软碳中的微孔对其首次循环过程的不可逆容量贡献较小。当软碳中存在适量的微孔(63%)时,可以在不对其首次库仑效率及循环稳定性产生影响的情况下,增加吸附反应机制的容量贡献,并提高储锂过程的反应动力学,从而达到较高的可逆容量及倍率性能。

碳化温度对软碳负极储锂动力学的影响

软碳是快充型锂离子电池的候选负极材料之一,发展高功率的软碳是当前的研究热点。软碳的电化学性能主要取决于其微观结构,并显著依赖前驱体的碳化温度。本工作以针状焦衍生软碳为模型材料,借助扫描电子显微(SEM)技术、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼(Raman)光谱及氮气等温吸附等表征手段,追踪了其在900~1700℃碳化温度下的结构演化,并通过循环伏安(CV)、恒流充放电(GCPL)、交流阻抗(EIS)等电化学表征方法解析了其微观结构与储锂动力学的相关性。结果表明,随着碳化温度的提高,软碳会出现三个结构占优阶段(无定形结构、乱层结构、石墨化结构),并对其电化学行为产生显著影响。其中,在无定形结构占优区域,软碳孔隙发达,储锂动力学较快,但容量较小(195 mAh/g),库仑效率较低(<60%);在石墨化结构占优区域,软碳库仑效率较高(80%),但动力学缓慢;而在乱层结构占优阶段,软碳可获得最佳的微观结构,从而在可逆比容量、首次库仑效率和倍率性能之间取得平衡。该结果为合理设计高性能的快充型软碳负极材料提供了参考。