废旧轮胎为碳源的碳/金属氧化物的制备及其锂离子电池材料性能研究

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锂离子电池由于其具有能量密度高、绿色环保等优点,成为了一种理想的新能源。目前已被商业化的负极材料石墨理论比容量仅为372 mAh g-1,不能满足高能量密度电池的需要。而部分金属氧化物的可逆比容量虽较高,但在循环过程中体积易膨胀导致容量衰减较快,无法实现在实际生产中的应用。因此,本文出于废物利用的目的,通过简单的制备方法开发一种新型碳材料,同时与金属氧化物复合来改善其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。采用XRD、EDS、SEM、FTIR、XPS等对材料的组成及形貌进行表征分析。通过恒流充放电测试仪、电化学工作站对材料进行电化学性能测试。主要研究内容有:(1)以自行车废旧轮胎为原料,通过简单的固相煅烧法对得到的产物进行盐酸处理,制备出了蜂窝状碳颗粒。探究了煅烧温度及煅烧时间对所得材料性能的影响。发现经过盐酸处理后的样品与处理前相比,电化学性能得到了明显的改善。结果表明,在400℃下煅烧2 h并经过盐酸浸泡的样品(HCC)具有最大的初始放电比容量、最佳的循环性能和最优异的倍率性能。在1 Ag-1的电流密度下其放电比容量(114.6 mAh g-1)几乎是商用石墨(26.2 mAh g-1)的4.4倍,意味着有望替代石墨成为LIBs的一种新型负极材料。(2)以水热法和固相煅烧法结合的方式,前一章所制备的蜂窝状碳颗粒(HCC)作碳源,四水合乙酸镍((CH3COO)2Ni·4H2O)作镍源,制备出NiO/C复合材料用作锂离子电池负极材料。探究了碳源与镍源的不同比例对NiO/C复合材料的电化学性能的影响,并添加不同种类的表面活性剂来优化NiO/C复合材料的形貌及电化学性能。结果显示当碳源与镍源的质量比为3:20时,NiO/C复合材料呈现出卷曲的云片糕状,具有较好的电化学性能。同时,添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)后,能有效提高NiO/C复合材料的放电能力。在电流密度为100 mA g-1时,制得的NiO/C复合材料首次放电比容量可达1275.6 mAh g-1。(3)采用HCC与九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)为原料,通过改变原料的加入比例,制备出不同元素比的Fe2O3/C复合材料,复合物的电化学性能均优于之前制备的单纯的碳材料。测试结果表明,原料加入的比例不同,Fe2O3/C复合材料的电化学性能有所差别。在此基础之上,不同种类的表面活性剂的加入也会对Fe2O3/C复合材料的形貌及电化学性能产生一定的影响。当HCC与Fe(NO3)3·9H2O的质量比为2:10时,制备出形似珊瑚的条状或棒状的样品,表现出较好的分散性和较佳的电化学性能,且在添加占HCC质量比20%的十二烷基硫酸钠(SDS)后,材料的首次放电比容量达到1230.4 mAh g-1(100 mA g-1),并且其循环性能得到了一定的改善(容量保持率提高了约42%)。(4)将HCC与氧化二辛基锡(DOTO)进行物理混合,采用简单的在空气中煅烧的方法,制备出SnO2/C复合材料。探究了煅烧温度以及HCC与DOTO初始加入比例对SnO2/C复合材料电化学性能的影响。结果发现当HCC与DOTO的质量比为1:6,在800℃下煅烧2 h时,制备出的样品呈现出较为规则的圆片状形貌,具有较好的电化学性能。
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