兰炭基硬炭的微结构调控及电化学储钾性能

煤炭学报
网络首发时间：2024-12-09 11:41:09

作者

苏方乐康伟伟黄光许邢宝林
单位

河南理工大学化学化工学院青岛大学物理科学学院中国石油大学（华东）化学化工学院河南省煤基功能碳材料工程研究中心
摘要

兰炭末的低碳高值化洁净利用不仅可以提高资源利用率，而且能够减少环境污染，有助于实现国家“碳达峰碳中和”的战略目标。以兰炭末为前驱体，经炭化制备钾离子电池硬炭负极材料，研究炭化温度对兰炭基硬炭的碳相（高度无序碳、准石墨碳以及类石墨碳）、碳微晶尺寸以及碳层间距、缺陷浓度、表面性质等微结构的影响规律，并评价不同微结构兰炭基硬炭的电化学储钾性能。研究发现，随着炭化温度的升高（600～1600 ℃），硬炭中的高度无序碳向准石墨碳以及类石墨碳演变，碳微晶的横向与纵向尺寸均逐渐增大，硬碳中sp3杂化碳的含量逐渐降低，向sp2杂化碳演变，硬炭的有序度逐渐升高。此外，兰炭基硬炭的比表面积和总孔容随炭化温度的升高呈降低趋势，碳微晶层间距先增大后减小。1000 ℃下制备的硬炭ZN-1000的高度无序碳、准石墨碳以及类石墨碳含量分别为31.2%、34.5%、34.3%，介孔孔容高达0.04 cm3/g，含有C=O、C-O、-OH等官能团，且呈现出较高的平均碳层间距(d002=0.375 nm)。作为钾离子电池负极材料，ZN-1000在20 mA/g电流密度下的可逆比容量达到207 mAh/g，在1000 mA/g的高电流密度下呈现出32 mAh/g的可逆比容量。兰炭基硬炭优异的电化学储钾性能与其微结构密切相关，K+通过在兰炭基硬炭的高度无序碳、缺陷、含氧官能团、开放孔等活性位点上进行吸/脱附以及在有序碳层中的嵌入/出来进行存储。本研究可为兰炭末的洁净化、高值利用以及钾离子电池碳负极材料的开发提供新思路。
关键词

兰炭钾离子电池硬炭微结构电化学性能
文章目录

1 实验
1.1兰炭基硬炭的制备
1.2硬炭微结构表征
1.3钾离子电池硬炭负极的制备及电化学性能评价
2 结果与讨论
2.1微结构表征
2.2兰炭基硬炭的电化学性能
3结论
引用格式

苏方乐,康伟伟,黄光许,等.兰炭基硬炭的微结构调控及电化学储钾性能[J/OL].煤炭学报,1-13[2024-12-09].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0914.