生物质硬碳材料的合成

实验三生物质硬碳材料的合成

一、实验目的

1.学习使用管式炉制备生物质硬碳材料；

2.掌握相应电化学测试方法。

二、实验仪器与试剂

实验仪器：管式炉、瓷舟、研钵、玻璃板、刮刀、手套箱、蓝电、电化学工作站；试剂：生物质、Super-P、PVDF、NMP。

三、实验步骤

1、将榴莲内表皮用去离子水洗涤并在80℃的真空干燥箱中充分干燥；

2、在氩气气氛下，将步骤1得到的材料在管式炉中以5℃每分的速率升温到1200℃碳化并保温两小时；

3、将步骤2中得到的材料充分研磨成粉末状，在1M的盐酸溶液中搅拌洗涤12h，随后用去离子水洗涤至中性，并在真空干燥箱中真空干燥，得到钠离子电池负极用生物质硬碳材料。

4、采用涂片法将硬碳材料、super-p、PVDF以质量比8:1:1均匀的与适量NMP 溶剂混合，进行均匀研磨，然后涂覆在铜集流体之上。随后将附有浆料的铜箔的玻璃片放入120°C烘箱中真空烘干24h。

5、按正确的操作步骤将正极壳、负极壳、玻璃纤维隔膜、钠片（直径12 mm*厚度为1 mm）、电解液一起组装成CR2032型纽扣电池。所用的电解液为浓度为1M NaClO4的含5%FEC的PC溶液。

6、将装配好的电池静置24小时，随后用蓝电和电化学工作站测试电池的循环（50mA/g）、倍率(50mA/g、100mA/g、200mA/g、500mA/g、1000mA/g，每个电

流密度下各循环10周)、循环伏安(扫速0.1mV/s、三周)等电化学性能。

四、数据分析

（1）实验在50mA/g电流密度下测得了硬碳材料在1mol/L NaPF6/EC:DEC中的循环性能曲线如图1所示：

图一PC循环曲线

从图中可以看出，硬碳材料在1mol/L NaClO4/EC:DEC 首周放电容量和库伦效率接近0，这是首周SEI 膜形成过程中，电解液在负极界面发生大量分解，

且消耗了大量活性钠离子。在循环过程中，放电容量约为250mAh/g，且整体趋于稳定状态，库伦效率在循环过程中接近100%，表明硬碳材料表面形成了稳定的SEI 膜，阻止了循环过程中负极表面副反应的发生，说明硬碳负极与1mol/L NaClO4/EC:DEC 电解液具有良好的相容性。

（2）硬碳/Na分别在1mol/L NaClO4/PC:FEC和1mol/L NaClO4/EC:DEC电解液中进行循环，得到的首周充放电曲线如图2所示：

图二PC倍率性能

从图中可以看出，硬碳/Na 在1mol/L NaClO4/PC:FEC中具有较高的首周充

电比容量，约为275mAh/g，在1mol/L NaClO4/EC:DEC中首周充电比容量约为240mAh/g；而在两种电解液中具有相同的首周放电比容量，约375mAh/g。实验结果表明在含FEC 成膜添加剂的电解液中电池的首周副反应较小，在消耗更

少的活性钠离子的情况下就能够形成稳定的SEI 膜。

（3）硬碳/Na 在1mol/L NaClO4/EC:DEC(1:1)中的循环伏安曲线如图3所示：

图三PC CV曲线

从图中可以看出，首周循环过程中在0.4V 和0.8V 附近出现了不可逆峰，这是因为在首周循环过程中电解液的不可逆分解和SEI 膜的形成；而0.01V 和0.15V 左右的对称的可逆氧化还原峰代表钠离子在石墨微晶层间可逆的嵌入脱出过程，且第二周与第三周的重合度较好，说明电池具有良好的可逆性。

五、问题讨论

本次实验学习了如何讨论电极材料和电解液的相容性问题，对比了不同电解液对电池电化学性能的影响，电解液主要有溶剂、电解质锂盐以及添加剂组成，

而添加剂具有用量少、性能改善突出的特点。本次实验中采用FEC 成膜添加剂，能够在负极材料表面形成有效的SEI 膜，从而显著提高了电池的比容量及循环性能。