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负极材料是决定锂离子电池性能的关键因素之一。与石墨化炭材料相比,树脂基硬炭材料具有比容量高、电解液相容性好、倍率性能及循环性能优良等优势,但也存在不可逆容量大、首循环效率低的缺陷。本文探讨了酚醛树脂炭微球制备过程中的影响因素,并对所制备的酚醛树脂微球进行改性处理,研究其电化学性能。
以价格低廉的苯酚、甲醛为原料,氢氧化钠为催化剂,采用水热法制备酚醛树脂微球,考察制备过程中主要参数对酚醛树脂微球微观形态的影响。实验表明,随着水热反应温度升高,微球粒径减小,粒度分布变窄,温度过高(200℃)时,出现融并现象;保温时间的长短主要影响反应进程,保温时间过短(1h),反应不完全,保温时间过长(6h),微球之间发生融并;苯酚与甲醛的配比主要影响产物的聚合度,当二者配比为1∶1.6时,微球呈现较好的微观形态;随着催化剂含量的减少,微球粒径减小,当苯酚与催化剂配比为10-60时,均能得到粒径均匀的微球;随着反应物浓度增大,微球粒径逐渐增大,当反应物浓度为10%时,微球具有良好的微观形态且产率较高。在水热反应温度为160℃,保温时间为4h,苯酚与甲醛物质的量之比为1∶1.6,苯酚与氢氧化钠的配比为20,反应物浓度为10%时,能够得到表面光滑、单一分散、粒径均匀的酚醛树脂微球,微球大小为4-5μm。
将酚醛树脂微球在600℃、700℃及1000℃炭化,得到酚醛树脂炭微球,考察其电化学性能。实验表明,炭化温度对酚醛树脂炭微球可逆容量影响不大,三者可逆容量均在200mAh/g左右,并具有良好的循环性能及容量保持率。其中600℃炭化时,具有最高的库伦效率,1000℃炭化时,可逆容量最高。
分别采用硝酸氧化和空气氧化酚醛树脂微球后炭化处理,得到改性酚醛树脂炭微球。经硝酸氧化后,酚醛树脂炭微球中部分微孔连通变成中孔,比表面积有所下降。硝酸改性酚醛树脂炭微球充放电比容量都得到很大提高。可逆容量由185.3mAh/g提高至414.2mAh/g,首次放电比容量由478.8mAh/g提高至1027.1 mAh/g,经50次循环后,可逆容量仍保持在342.2mAh/g。在不同温度对酚醛树脂进行空气氧化后炭化发现,空气氧化改性酚醛树脂炭微球并没有改变孔径分布及吸附类型。空气氧化使材料的可逆及不可逆容量都降低,首次循环效率有所提高,但不可逆容量的降低量远小于可逆容量降低量。因此,对酚醛树脂炭来说,硝酸氧化是比较有效的改善炭材料电化学性能的方法,而空气氧化处理则不适用酚醛树脂炭。