锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能的研究

来源 :石河子大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuhuizuizong
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全球能源变革愈演愈烈,人类社会对于清洁能源需求增大的背景下,电动车、大规模光伏和风电储能的需求,推动了锂离子电池技术的飞速发展,现有锂离子电池的性能亟待提升,锂电负极材料作为电池技术迭代的关键材料需要进一步突破。另一方面人们对于绿色环保的生活空间也在不断提出新的要求,工业废弃染料和多晶硅副产物四氯化硅对绿色安全的环境有着较大的威胁,对于工业废弃物的资源化利用和高附加值产品开发的课题也具有时代性的意义。本论文以含有丰富的氮源和硫源的工业染料废弃物制备氮硫共掺杂碳基负极材料和以四氯化硅为硅源制备硅掺杂生物质基碳材料用于锂电负极,通过材料表征和电化学性能测试,研究了材料用于储锂的影响因素,并做了性能优化,主要研究结果如下:(1)氮硫自掺杂碳材料的制备及其锂离子电池性能研究工业染料废弃物具有较大的潜在环境风险,结合染料分子结构特点,采用自下而上的合成方案,制备锂离子电池负极材料是染料废弃物资源化利用的有效方案。单一工业染料活性黄(FN-2R)废弃物为前驱体在不同温度条件下的制备氮硫共掺杂碳材料,N,S-GC-600,N,S-GC-700,N,S-GC-800,N,S-GC-900。通过TEM表征和XPS数据表明N,S-GC-700具有最大的层间距为0.422 nm和高吡咯氮含量,为材料提供更多的Li+吸附位点与合适的层间距,因此有较高的储锂能力。经过电化学测试,N,S-GC-700在0.1 C条件下,首次充放电比容量为542.0/1244.1 m Ah/g,100圈循环449.7/449.2 m Ah/g。(2)ZnS/N,S-LGC的制备及其锂离子电池性能研究纺织工业带来的染料废弃物难以彻底降解,造成巨大的环境风险。新疆地区棉染工艺中的染料废弃物存在染料、木质素等物质,具有丰富的氮源、硫源和碳源,引入Zn(NO3)2作为材料的石墨化氮抑制剂,采用碳浴法制备ZnS负载于氮硫共掺杂碳材料(ZnS/N,S-LGC)。通过XRD数据表明,氮硫共掺杂碳材料时也合成了ZnS,实现了ZnS负载于氮硫共掺杂碳材料(ZnS/N,S-LGC)。XPS数据表明加入Zn(NO3)2后吡咯氮含量提高12.4%,石墨化氮降低6.7%。经过电化学测试,ZnS/N,S-LGC材料在0.1 C的条件下,首次充放电比容量分别为660.3/1117.5 m Ah/g,库伦效率为59.1%。经历100圈循环后,ZnS/N,S-LGC的充放电比容量分别为527.6/529.5 m Ah/g,库伦效率均大于99%。(3)硅掺杂碳材料的合成及其锂离子电池性能研究新疆光伏产业蓬勃发展,多晶硅生产工业副产物SiCl4的环保风险增加,多途径的高附加值的利用开发SiCl4对于地区产业发展具有重要意义。SiCl4为硅源和富羟基生物质葡萄糖为碳源,利用SiCl4与基化合物的反应特性,结合葡萄糖骨架的羟基具有空间异向,提高硅的分散度制备前驱体(Si O-GLS),经900℃热处理制备Si O-C-900。经过电化学测试,Si O-C-900在0.1 C条件下,经过100圈循环后,容量保持在406 m Ah/g,其比容量是GLS-900的1.87倍。此外还对材料合成温度和前驱体硅碳比进行了初步探究,优化合成工艺后材料储锂能力可提高到530 m Ah/g以上。
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