玉米秸稈基生物質碳材料的制備及其電化學性能研究

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1、分類號：TQ152單位代碼：10183研究生學號：2015434019密級：公開吉林大學碩士學位論文（專業(yè)學位）玉米秸稈基生物質碳材料的制備及其電化學性能研究PreparationandElectrochemicalPropertiesofBiomassCarbonMaterialDerivedfromCornStalks作者姓名：李純類別：工程碩士領域（方向）：材料工程指導教師：李義教授郝博高級工程師培養(yǎng)單位：材料科學與工程學院2018年5月—————————————————————玉米秸稈基生物質碳的制備及

2、其電化學性能研究—————————————————————PreparationandElectrochemicalPropertiesofBiomassCarbonMaterialDerivedfromCornStalks作者姓名：李純領域（方向)：材料工程指導教師：李義教授郝博高級工程師類別：工程碩士答辯日期：2018年5月26日未經本論文作者的書面授權，依法收存和保管本論文書面版本、電子版本的任何單位和個人，均不得對本論文的全部或部分內容進行任何形式的復制、修改、發(fā)行、出租、改編等有礙作者著作

3、權的商業(yè)性使用（但純學術性使用不在此限）。否則，應承擔侵權的法律責任。吉林大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明：本人鄭重聲明所呈交學位論文，是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔學位論文作者簽名：曰期：＞年／月曰／？個摘要玉米秸稈基生物質碳材料的制備及其電化學性能研究摘要由于具

4、有工作電壓高、能量密度高、自放電率低和綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點，鋰離子電池成為目前為止最具潛力的儲能電源。鋰離子電池成功的一個關鍵因素是負極材料能夠可逆地脫/嵌鋰離子。目前，實際應用的鋰離子電池負極材料多為石墨類材料，但其所能提供的電池容量已逐漸不能滿足日益增長的能量需求。而且隨著石墨資源的減少，未來鋰電池研究的重點將朝著高庫倫效率、高循環(huán)性能和低成本的方向發(fā)展。玉米秸稈是價格低廉且來源廣泛的農業(yè)廢棄物，但在農業(yè)生產中利用率較低。以玉米秸稈作為原材料制備鋰離子電池負極材料，不僅能實現對農業(yè)廢棄物的合理利用，而且可以有

5、效緩解環(huán)境污染和能源危機等問題。本文利用農業(yè)廢棄物玉米秸稈為原材料，采用不同的活化劑及工藝制備多孔生物質碳材料，并對生物質碳材料進行物理表征及電化學性能測試。主要研究內容與結果如下：（1）將玉米秸稈的皮層和芯分離后，選取玉米秸稈芯為原料。以KOH為活化劑，采用先熱解碳化后活化的方法制備多孔生物質活性碳。BET比表面積測試值為1266.83m2g?1，孔徑分布主要在2-20nm。將其應用于鋰離子電池的負極材料，在電流密度為0.2C時循環(huán)100個周期后生物質活性碳電極的放電比容量為504mAhg?1。當電流密度為5

6、C時，放電比容量為275mAhg?1。與未活化的生物質碳材料相比，多孔生物質活性碳中豐富的介孔結構使電池的電化學性能得到顯著提高。（2）采用CaCl2溶液浸漬玉米秸稈后進行碳化和活化從而制得玉米秸稈多孔生物質碳材料。主要探究了活化溫度和氯化鈣用量對玉米秸稈生物質碳材料孔隙結構和性能的影響。當活化溫度為600℃，玉米秸稈與CaCl2質量比為1:2.5時，生物質碳材料的孔隙結構更豐富，而且循環(huán)性能和倍率性能更優(yōu)異。在0.2C倍率下循環(huán)100圈后的放電比容量為783.8mAhg?1。即使在10C的高電流密度下，也可以

7、獲得高達347mAhg?1的比容量。這主要是由于更大的比表面積和豐富的孔隙結構增大了反應物與電解液的接觸面積和滲透率，為鋰離子的嵌入/脫出提供了更大的自由運動空間。I吉林大學碩士學位論文（3）以玉米秸稈為原料，分別水解半纖維素、提取木質素以及水解纖維素，可以得到木糖、堿木質素和葡萄糖等工業(yè)原料，這些產物經處理后可進行高附加值應用。剩余的殘渣用來制備多孔生物質碳，最終可以實現玉米秸稈的綜合利用。經掃描和透射分析可知，制備的殘渣碳具備中空碳微球和介孔片狀碳的共存結構。通過電化學測試表明，在電流密度為0.2C時，材料

8、的初始放電比容量為1116.8mAhg?1，循環(huán)100個周期后，可逆比容量可達438.9mAhg?1。關鍵詞：鋰離子電池，負極材料，玉米秸稈，生物質碳，多孔結構IIAbstractPreparationandElectrochemicalPropertiesofBiomassCarbonMaterialDerivedfromCornStalksAbstractUntilnow,lith