蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，中國石河子大學(xué)（Shihezi University）的研究人員探討棉花秸稈顆粒的大小對生物炭結(jié)構(gòu)和鋰離子電池負(fù)極性能的影響。

（圖片來源：石河子大學(xué)）

鋰離子電池具有能量密度高、重量輕、使用壽命長、無污染等優(yōu)點，在儲能領(lǐng)域廣受歡迎。但是，這種電池中常用的石墨負(fù)極容量有限，倍率性能較差。為了提高電池性能，研究人員致力于開發(fā)下一代碳負(fù)極材料。

此項研究

在這項研究中，研究人員探討將棉稈生物炭（cotton stalk biochar，CSC）作為鋰離子電池負(fù)極材料，并研究顆粒大小對衍生碳材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。

該團隊利用一步碳化法來制備樣品。以較大的棉稈顆粒為原料來制備生物炭，可以保留棉稈的管狀結(jié)構(gòu)，并有助于形成孔隙結(jié)構(gòu)。

研究人員以農(nóng)業(yè)棉稈廢料為前體，探討粒徑對碳化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)屬性的影響。通過簡單的碳化過程來制造高性能的棉稈多孔炭。

觀察結(jié)果

隨著掃描速度加快，電容分布逐漸擴大。在掃描速度為1 mVs-1時，電容分布達到47.57%。當(dāng)電流密度為2 Ag-1時，CSC負(fù)極的可逆容量達到57.62-130.33 mAhg-1，而石墨的可逆容量僅為30.8 mAhg-1。CSC-1、2、3、4和5的初始比容量分別為786.5、872.1、857.8、749.85和646.1 mAhg-1，并在第一次放電/充電操作過程中迅速下降。在高分辨率O1s中，C=O、C-OH、C-O-C和OH分別在530.9 eV、531.8 eV、532.6 eV和533.6 eV處出現(xiàn)四個峰值。

當(dāng)棉稈粒徑小于200 μm時，熱解炭的結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)明顯變化，尤其是孔徑小于4 nm。碳化棉稈產(chǎn)物的粒徑范圍為100-200和450-2000μm，最大層間距為0.388 nm，孔容為0.285 cm3 g-1。同時，由較大棉稈顆粒制成的熱解炭，具有更好的管狀結(jié)構(gòu)。

在0.1 Ag-1下循環(huán)100次后，粒徑為450-2000 μm的棉稈生物炭的Li+擴散系數(shù)最大，為1.47x10-11 cm2 s-1，電化學(xué)性能最好，同時，比容量較大，達到271.7 mAhg-1。

就生物炭的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和化學(xué)組成而言，200 μm的棉稈顆粒是一個重要的轉(zhuǎn)化點。將CSC用作鋰離子電池負(fù)極，直徑為450-2000μm的棉稈生物炭，表現(xiàn)出最好的電化學(xué)性能，在0.1 Ag-1循環(huán)100次后，比容量達到271.7 mAhg-1。同時，在2 Ag-1的高電流密度下，比容量為115 mAhg-1。

結(jié)論

綜上所述，本項研究闡述了CSC具有管狀多孔結(jié)構(gòu)、較大的層間距和較高的雜原子摻雜量，可用于存儲和傳輸鋰離子。在熱解過程中，較大的棉稈顆粒有助于形成孔隙結(jié)構(gòu)和保留雜原子。通過改變棉稈顆粒大小，可以有效地控制生物炭的結(jié)構(gòu)，這種未來碳材料制備方法能耗低且環(huán)保。生物質(zhì)前體的顆粒大小分布，對生物炭的電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)具有較大影響。

研究人員認(rèn)為，篩選前體顆粒大小是一種很有前途的策略，可以提高電化學(xué)性能，也為開發(fā)其他儲能設(shè)備提供了思路。因為這種前體的數(shù)量豐富，而且相關(guān)制造工藝簡單、成本低。

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