新型炭材料

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2020, 35(2): .

摘要(83)

PDF(98)

摘要:

包覆结构Si/C复合负极材料研究进展

魏剑, 秦葱敏, 苏欢, 王佳敏, 李雪婷

2020, 35(2): 97-111.

摘要(1108)

PDF(402)

摘要:
以包覆结构Si/C复合材料作为负极的锂离子电池（LIBs）具有能量密度高、自放电效率低、循环寿命长等特点。然而，锂在硅中插入/脱出过程的体积膨胀和固体电解质界面膜（SEI）的不稳定性，阻碍了硅的商业化应用。本文通过对近年来新型包覆结构Si/C复合负极材料的构筑方法、电化学性能、比容量和循环性能进行分析和研究，发现包覆结构Si/C复合负极材料不仅可以缓解硅在锂化过程中的体积膨胀和炭层破裂，而且可以有效提高LIBs循环稳定性。因此，Si/C复合材料有望取代石墨成为高容量LIBs的主要负极材料。

氧化镍/四氧化三钴@镍钴与活性炭的非对称超级电容器的制备

李婧, 邹培超, 姚文涛, 刘鹏, 康飞宇, 杨诚

2020, 35(2): 112-120. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60478-4

摘要(396)

PDF(237)

摘要:
金属氧化物是一种颇具前景的超级电容器活性材料，然而较差的导电性阻碍了其实际应用。本文通过在高导电性镍钴纳米线上原位生长氧化镍和四氧化三钴活性物质，制备自支撑柔性氧化镍/四氧化三钴@镍钴一体化电极。纳米线表面原位生长活性物质可以提升活性物质与集流体间电子的传输效率。网络状纳米线结构利于离子传输并能释放充放电过程中形成的应力。基于这种独特的结构特点，氧化镍/四氧化三钴@镍钴电极在电流密度为5 mA cm^-2时，具有1.36 F cm^-2的比容量，循环10 000圈后仍然具有96.95%的容量保持率。氧化镍/四氧化三钴@镍钴与活性炭组装成的非对称超级电容器在能量密度为0.32 mWh cm^-2时，具有8 mW cm^-2的功率密度，证明此种材料在高性能超级电容器中的广阔应用前景。

Mn₃O₄-石墨烯气凝胶的高效制备及其储锂性能

高峰, 覃仕辉, 臧云浩, 顾建峰, 曲江英

2020, 35(2): 121-130. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60479-6

摘要(297)

PDF(179)

摘要:
以改进的Hummers法制备的Mn²⁺/氧化石墨烯悬浊液为原料，无需添加锰源，采用水热法得到Mn₃O₄含量可调的Mn₃O₄-石墨烯气凝胶（Mn₃O₄-GA）。得益于石墨烯气凝胶相互连通的三维导电网络以及Mn₃O₄纳米粒子和其间的强烈的耦合作用，Mn₃O₄-GA表现出了比Mn₃O₄-石墨烯粉末复合物（Mn₃O₄-G）更加优异的储锂性能，其中Mn₃O₄-GA-70（Mn₃O₄含量为70%）在100 mA·g^-1的电流密度下其可逆比容量达到1 073 mA·h·g^-1，在800 mA·g^-1的电流密度下循环200次后其比容量为565 mA·h·g^-1，保持率为85%。该方法为环境友好制备锰基石墨烯气凝胶提供新思路。

高比表面积聚丙烯腈基炭微球的制备与正交实验分析

刘沅明, 秦显营, 张少琼, 张哲旭, 康飞宇, 李宝华

2020, 35(2): 131-139. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60480-2

摘要(413)

PDF(141)

摘要:
本研究优化了制备高比表面积聚丙烯腈基多孔炭微球的KOH化学活化工艺，并系统讨论了活化条件对炭微球的孔体积和平均孔径的影响。活化条件的优化原理基于9个正交实验，主要讨论了活化温度、恒温时间以及碱碳质量比3个因素对比表面积的影响与显著性。极差分析和方差分析表明，3个因素对比表面积均具有高度显著的影响，且三者的影响程度有如下关系：活化温度 > 恒温时间 > 碱碳比。最佳活化工艺为：活化温度800 ℃，恒温时间4 h，碱碳比4：1。由最佳活化工艺制备的聚丙烯腈基多孔炭微球的比表面积可由活化前的463 m²g^-1显著提高至2 517 m²g^-1。

杂原子掺杂三维石墨烯水凝胶的制备及电化学性能

徐惠, 杨曙华, 朱院强, 范欣, 陈敏章

2020, 35(2): 140-147.

摘要(533)

PDF(118)

摘要:
采用水热法分别制备了氮、磷、硫等杂原子掺杂的三维石墨烯水凝胶电极材料。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）、拉曼光谱仪、X射线衍射仪（XRD）和光电子能谱仪（XPS）对材料的微观结构进行了分析，并利用电化学方法对材料的电化学性能进行了研究。结果表明：氮、磷、硫等杂原子掺杂入石墨烯晶格，掺杂的石墨烯呈现三维多孔层状形貌。杂原子的掺杂均有利于提高石墨烯的电化学性能，其中以磷掺杂石墨烯电极材料的性能最佳，原子半径最大的P掺杂使石墨烯晶格畸变加剧，比表面积显著增大进而保证了电解质在材料中的快速嵌入和脱出。在1 mol/L H₂SO₄的电解液中，电流密度为1 mA/cm²时，其比容量388 F/g，组装成对称双电极电池装置，其能量密度在1 A/g的电流密度下可达到25.2 Wh/kg。优异的电容性能主要源于杂原子掺杂所提供的法拉第赝电容。

基于电化学阳极氧化的多壁碳纳米管表面改性

张巍松, 刘玉婷, 吴刚平

2020, 35(2): 155-164. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60481-4

摘要(460)

PDF(178)

摘要:
分别以硫酸和氢氧化钠溶液为电解液，用阳极氧化方法对多壁碳纳米管进行表面改性处理。采用了扫描电子显微镜，透射电子显微镜，Zeta电位仪，红外光谱仪，X-射线光电子能谱仪和拉曼光谱仪等表征手段对多壁碳纳米管的形貌、分散性、功能化程度及缺陷程度等方面进行了表征。多壁碳纳米管经阳极氧化后，表面含氧官能团数量增加，这提高了其在水溶液中的分散性。但是在不同的电解液中阳极氧化后，纳米管的分散性、官能团种类和表面缺陷情况不同。在氢氧化钠溶液中阳极氧化会在纳米管表面引入更多含氧官能团，而在硫酸溶液中阳极氧化会在纳米管表面引入更多缺陷。

激光诱导预氧化PAN炭化的反应分子动力学模拟

姚良博, 杨卫民, 谭晶, 程礼盛

2020, 35(2): 176-183.

摘要(548)

PDF(116)

摘要:
聚丙烯腈（PAN）分子向类石墨结构的转变过程在PAN基炭纤维的炭化过程中起着关键作用，研究激光诱导PAN分子的炭化过程对于进一步认识激光诱导PAN基炭纤维炭化机理有很大帮助。本文利用反应分子动力学方法模拟研究在2 500 K下，激光诱导预氧化PAN分子炭化过程与传统热处理诱导炭化的差异，分析了两种热处理方法过程中体系的能量变化、化学反应速率、原子波动状态及原子受力情况。结果表明，激光诱导过程由于激光具有使物体快速升温的特性，给辐射的炭纤维带来一定的热冲击应力，致使纤维内部原子波动加剧，活性原子数量增加，原子活性增大，与周边原子发生碰撞和化学反应的几率增大，从而促进石墨结构的形成。使用ReaxFF反应力场研究PAN分子的炭化过程，可以提供详细的反应分子动力学过程，有助于理解炭化过程中石墨结构的形成机理，同时也表明激光辐照PAN基炭纤维能得到更好的炭化效果。

生沥青焦颗粒尺寸对自烧结石墨块体微观结构和性能的影响

赵红超, 何钊, 郭晓慧, 连鹏飞, 刘占军

2020, 35(2): 184-192. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60483-8

摘要(546)

PDF(184)

摘要:
由不同颗粒尺寸（5.1、3.1和1.9 μm）的生沥青焦制得3种自烧结石墨块体，并对其进行系统的分析表征。石墨块体的结构和性能随着生焦颗粒尺寸的减小呈现出规律性变化。石墨块体的密度、机械强度、肖氏硬度和热膨胀系数随着生焦颗粒尺寸的减小而提高，石墨化度、晶粒尺寸、热导率、平均孔径和孔隙率随着生焦平颗粒尺寸的减小而降低。石墨块体的平均孔径均在纳米尺度，能有效地阻隔熔盐浸渗而应用于熔盐反应堆中。此外，石墨块体因其密实结构和相对优异的机械性能，在密封领域也有较大的应用潜力。自烧结石墨块体的微观结构和性能与生焦颗粒尺寸关系密切，并讨论了生焦颗粒尺寸对石墨块体微观结构/性能的影响及石墨块体微观结构与性能间的关系。

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