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当蒽的表面张力为59.4mN/m时,有效提高碳材料能量转化效率

来源:玖贰伍碳源科技(天津)有限公司 浏览 110 次 发布时间:2024-06-21

目前主要的碳负极生产工艺,包括化学气相沉积法、包覆法、热处理法等技术的单独和混合应用。

在相关现有技术的基础上,研究者发现含碳负极材料在充放电过程中存在过电位过高的问题,进而导致采用含碳负极材料放电时电压平台低、充电电压平台较高,即此时化学电源的能量转化效率较低;

为降低含碳电极材料对化学电源过电位的贡献,从而提升放电平台电压、降低充电平台电压,以此提升能量转化效率,现有技术的处理方案大致有以下几种:

一,在材料制备过程中,使用基底或模板,定向影响目标材料内部结构、外部的几何形态和物理化学特性,提升目标材料的电子电导能力,离子传输能力,进而降低材料总体上(即在电池中工作时)的过电位,提升放电平台电压,降低充电平台电压。其优点在于,可以理性设计材料结构,尽可能优化其性能。缺点在于,技术实现复杂,工艺要求的工况难以实现或实现成本过高;

二,在材料制备过程中,对层状堆垛的材料,引入一定尺寸的分子、离子,拓宽材料的层间距,提升材料的离子传输能力,降低材料总体上的过电位,优化平台电压。其优点在于处理工艺简单,缺点在于成本高,且会降低材料结构的稳定性;

三,在材料制备过程中,采用化学气相沉积,引入原料气,在特定表面发生物理化学变化,调控材料原有的孔结构,优化材料储能特性。其优点在于可以精确调控材料的孔口和孔内结构,显著优化材料储能特性,缺点在于能耗较高,不能选择性改变材料的某些特征结构(比如孔的表面和内部结构),不能选择性地在一定区域沉积,从而造成浪费,加工温度较高也会带来一定的风险。

针对现有技术中存在的提升碳材料能量转化效率的方法存在技术缺陷的问题,本文提供一种基于液相沉积的碳材料的制备方法。

步骤1,在225℃的绝氧条件下,用蒽浸渍有丰富孔结构的活性碳纤维1h,由于蒽的表面张力较大,为59.4mN/m,浸渍过程中蒽选择性的进入活性碳纤维的孔道,表面无显著残留;

步骤2,取出浸渍后的活性碳纤维置于烘箱中,在100℃下烘干去除水分,得到中间体;

步骤3,在氮气保护下,将所述中间体在950℃下加热,加热温度为蒽的裂解温度,加热过程中,蒽裂解形成石墨沉积在所述活性碳纤维的孔道内,自然降温至室温,得到高能量转化效率的碳材料,液相沉积后的碳材料具有发展良好的晶畴,多孔碳颗粒表面仍保持较光滑完整的形貌,说明液相沉积选择性的在孔道内进行。

步骤1所用活性碳纤维以及本实施例制备得到的高能量转化效率的碳材料的氮气吸脱附测试可以看出:制备前活性碳纤维的氮气吸脱附测出比表面积为1329m2/g,经过处理,比表面积降至482m2/g,说明蒽在孔内的沉积改变了孔的结构,减小了孔容,孔腹尺寸被收缩;

步骤1所用活性碳纤维以及本实施例制备得到的高能量转化效率的碳材料的二氧化碳吸脱附测试可以看出:制备前活性碳纤维的二氧化碳吸脱附测出比表面积为1380m2/g,经过处理后,得到的高能量转化效率的碳材料的二氧化碳吸脱附测出比表面积为1170m2/g,由于CO2具有更小的分子动力学直径,可进入N2无法探测的孔,可知孔口保留了一定的尺寸,有利于钠离子传输,形成高电位的平台,同时通过CO2所测比表面积也有下降,说明孔腹也被收缩,但并非被完全填充,保留了充分的储钠空间。

高能量转化效率的碳材料组装钠离子电池制备过程如下:

高能量转化效率的碳材料作为负极活性物质,以偏氟乙烯(PVDF)作为粘结剂、与导电剂乙炔黑按照质量比90∶5∶5的比例在NMP(N甲基吡咯烷酮)溶剂下混合均匀,涂覆成电极膜,放在真空干燥箱中于120℃干燥12h,经辊压、冲裁,得到负极极片;采用金属钠片作对电极,电解液为1M NaClO4 in diglyme=1:1为电解液,将上述负极极片在手套箱中组装成2032纽扣式电池,测试其电化学性能。首圈充放电曲线如图5所示,具有高达93%的首次库伦效率,能量转化效率为85%,可逆比容量高达354mAh/g,其中低电位平台比容量为250mAh/g。


与现有技术相比,

1.此方法利用了具有一定表面张力的液态碳源在多孔碳表面不浸润、只能通过材料的孔的毛细作用吸附于材料中的特性,进行选择性沉积,液态碳源选择性的沉积在多孔碳的孔道内,而不在多孔碳的表面沉积,实现低原料成本、高原料利用率的沉积,同时提高了碳材料的能量转化效率;

2.相比于传统的液相沉积技术,此方法在关注并调控孔内结构的同时,同时将孔口的扫描电镜下的亚显微结构(晶格结构和晶畴结构)作为调控材料性能的参量,如图1所示,液相沉积后的碳材料具有发展良好的晶畴,将孔口缩小的同时孔腹充分缩小,通过特定液相沉积实现孔结构的理性设计和调控。由图2的SEM可观察到材料表面没有颗粒状积碳,表明液态碳源的吸附主要选择性的进入孔内,由于较大表面张力不会在颗粒表面沉积,因此碳颗粒仍保持较光滑完整的形貌;

3.利用此方法液相沉积得到的碳材料可以优化充放电平台电压,提高能量转化效率。