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活性炭锂离子电池的性能
文章编辑:韩研网络部 更新时间:2021-8-26 16:25:04

  随着电能存储的增加,社区中电子设备的使用导致对电池的需求。近年来,锂离子电池由于其高能量密度、长循环寿命和环境友好性而受到越来越多的关注。目前,碳材料由于其表面变化小、循环过程中结构稳定、能量密度高、重量轻、寿命长、丰富等优点,被普遍用作锂离子电池的电极材料。本次大家使用活性炭来作为锂离子电池的电极,并测试电池性能。

  活性炭是常用吸附材料也是一种可以储存能量的材料,因为它性能好、环保、价格便宜。但是适合电池电极使用的活性炭需要具有大表面积、高孔体积和高导电性,这些可以使用活化过程来改变。活化过程可以显着影响活性炭的比面积、孔结构和比电容。然而,化学活化也降低了碳电极的电导率和密度,导致较差的倍率性能和低体积能量密度。所以选择正确的活化方式能提高锂离子电池的性能。

  锂离子电池中使用的活性炭

  大家通过扫描电子显微镜研究了炭化料和活性炭的形态。如图1,炭化料形态显示与晶粒尺寸的变化,并用直径约为26.25微米的大的孔隙率。然而,活性炭的颗粒(图1b-d)变得更小且均匀,平均直径约为22μm。通过进一步增加放大,可以观察碳和活性炭的表面。碳上的化学和物理活化过程显示出相似的形态,没有观察到显着的变化或结构扭曲。炭化料样品显示出光滑的表面和一系列贯穿表面的条纹,而活性炭表面看起来光滑,带有小碎片和越来越多的条纹。在高温过程中,炭化料被活化成导电的活性炭,伴随着气态副产物如CH4、H2、CO和CO2的释放。活化过程产生表面反应,这有利于活性炭多孔结构的形成。

  图1:活性炭的SEM图像(a)炭化料(b-d)不同活化方式制成的活性炭。

  活性炭电极的电化学阻抗

  EIS是研究离子传输和电荷转移动态信息的强大工具。如图2所示,所有曲线在高频时均呈半圆,低频时呈直线。高频区域Z′轴上的截距与通过电极表面SEI的电解质的离子电导率相关。高频到中频范围内的半圆与电解质和电极材料之间的电荷转移有关。在低频的行为可以归因于锂离子的固态扩散(图2的B)。

  图2:a电化学阻抗谱,b是阻抗与炭化料和活性炭角频率平方根倒数之间的线性关系。

  活性炭的活化过程通过减小颗粒尺寸和产生改善动力学性能的缺陷来增强电极的导电性。不同的活化方式具会得到更高的电导率,通过950℃下活性炭样品的小而均匀的粒径有利于移动并缩短离子的里程。样品中的失真会增加空穴的数量,因此会增加转移的电荷。在微晶中也更容易发生离子扩散,因为锂离子具有相当宽的扩散路径。这导致未经活化的样品中的离子扩散值高于750℃的活化样品温度。此外,活性炭中的缺陷会增加孔的数量,从而使更多的电荷快速移动。

  活性炭锂离子电池的电化学性能

  充放电曲线评估了活性炭的的电化学性能,不同温度活化的活性炭电极如图3所示。CD测试是在0.25C的电流密度速率下进行的。活化温度提高了充电容量。活性炭样品的高充电容量为260.36mAh/g-1,而炭化料样品的低充电容量为1.98mAh/g-1。这是因为活化的样品可以吸取很多的锂离子。放电曲线显示三个不同的电位区域,这可能归因于不同的机制。0到0.12V的区域对应于锂离子从随机取向的小分子堆叠中的微孔中脱出。0.12到0.8V的区域归因于锂离子从无序石墨烯层中脱出。高于0.8V的区域对应于锂从各种边缘位置或石墨烯层中含H-/O官能团的脱嵌。

  图3:炭化料和活性炭的放电/充电曲线。

  在活性炭作为锂离子电池的电极中,大家通过结合化学活化的方法和不同温度下的物理活化,成功地制备了锂离子电极用活性炭。所获得的材料具有更高的层间距、表面积和结构缺陷,这些都有助于锂离子电池的电化学性能。活性炭电极的稳定性在电荷存储方面非常稳定,50次循环后库仑效率约为100%。与未活化相比,锂离子电池中活性炭的电化学性能有所提高。研究测试表明,活性炭是用于锂离子电池的可持续碳电极材料。

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