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石河子大学使用棉花秸秆制造负极材料 可用于锂离子电池

盖世汽车 Elisha 2022-06-23 20:10:12

盖世汽车讯 据外媒报道,中国石河子大学(Shihezi University)的研究人员探讨棉花秸秆颗粒的大小对生物炭结构和锂离子电池负极性能的影响。

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(图片来源:石河子大学)

锂离子电池具有能量密度高、重量轻、使用寿命长、无污染等优点,在储能领域广受欢迎。但是,这种电池中常用的石墨负极容量有限,倍率性能较差。为了提高电池性能,研究人员致力于开发下一代碳负极材料。

此项研究

在这项研究中,研究人员探讨将棉秆生物炭(cotton stalk biochar,CSC)作为锂离子电池负极材料,并研究颗粒大小对衍生碳材料的结构和电化学性能的影响。

该团队利用一步碳化法来制备样品。以较大的棉秆颗粒为原料来制备生物炭,可以保留棉秆的管状结构,并有助于形成孔隙结构。

研究人员以农业棉秆废料为前体,探讨粒径对碳化产物的结构和电化学属性的影响。通过简单的碳化过程来制造高性能的棉秆多孔炭。

观察结果

随着扫描速度加快,电容分布逐渐扩大。在扫描速度为1 mVs-1时,电容分布达到47.57%。当电流密度为2 Ag-1时,CSC负极的可逆容量达到57.62-130.33 mAhg-1,而石墨的可逆容量仅为30.8 mAhg-1。CSC-1、2、3、4和5的初始比容量分别为786.5、872.1、857.8、749.85和646.1 mAhg-1,并在第一次放电/充电操作过程中迅速下降。在高分辨率O1s中,C=O、C-OH、C-O-C和OH分别在530.9 eV、531.8 eV、532.6 eV和533.6 eV处出现四个峰值。

当棉秆粒径小于200 μm时,热解炭的结构特征出现明显变化,尤其是孔径小于4 nm。碳化棉秆产物的粒径范围为100-200和450-2000μm,最大层间距为0.388 nm,孔容为0.285 cm3 g-1。同时,由较大棉秆颗粒制成的热解炭,具有更好的管状结构。

在0.1 Ag-1下循环100次后,粒径为450-2000 μm的棉秆生物炭的Li+扩散系数最大,为1.47x10-11 cm2 s-1,电化学性能最好,同时,比容量较大,达到271.7 mAhg-1。

就生物炭的结构性质和化学组成而言,200 μm的棉秆颗粒是一个重要的转化点。将CSC用作锂离子电池负极,直径为450-2000μm的棉秆生物炭,表现出最好的电化学性能,在0.1 Ag-1循环100次后,比容量达到271.7 mAhg-1。同时,在2 Ag-1的高电流密度下,比容量为115 mAhg-1。

结论

综上所述,本项研究阐述了CSC具有管状多孔结构、较大的层间距和较高的杂原子掺杂量,可用于存储和传输锂离子。在热解过程中,较大的棉秆颗粒有助于形成孔隙结构和保留杂原子。通过改变棉秆颗粒大小,可以有效地控制生物炭的结构,这种未来碳材料制备方法能耗低且环保。生物质前体的颗粒大小分布,对生物炭的电化学性能和结构具有较大影响。

研究人员认为,筛选前体颗粒大小是一种很有前途的策略,可以提高电化学性能,也为开发其他储能设备提供了思路。因为这种前体的数量丰富,而且相关制造工艺简单、成本低。

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