乳化法制备中间相沥青炭微球及其电化学性能研究

发布时间：2020-04-25 19:39

【摘要】：中间相沥青炭微球是一种由稠环芳烃大分子在液相炭化过程中按照一定取向、排列,在表面张力作用下形成的液相炭质微珠。中间相炭微球具有稳定的石墨化片层结构、一定的比表面积和高的化学稳定性。因此,中间相炭微球被广泛的应用于多个领域,如:高性能液相色谱柱填料,高比表面积碳材料及锂离子电池。中间相沥青炭微球因其平稳的放电平台和高的放电容量被认为是一种有前景的锂电池负极材料。作为负极材料,为了进一步提高其性能,更多的研究着眼于制备出具有更规整形貌和粒径分布较窄的中间相沥青炭微球。中间相沥青炭微球的制备方法对其形貌有着重要的影响。传统制备中间相炭微球的方法主要有缩聚法、乳化法和悬浮法等。这几种方法各有利弊。缩聚法已经实现工业化生产,但其制备的炭微球分离困难;乳化法则对原料的选择较为苛刻。本课题结合了上述两种方法的特点,以廉价的中温煤焦油沥青作为原料,一步制取中间相炭微球。在此工艺的基础上,添加合适的助剂制备出粒径分布均匀,形貌规整的中间相炭微球。通过改变反应温度、保温时间、搅拌速率等探索出可稳定制备中间相炭微球的参数条件;添加合适的表面活性剂及添加剂在保证其粒径分布均一的同时,有效提高中间相炭微球的收率。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱分析、X射线衍射分析等手段对其形貌,表面及内部结构进行表征;通过循环伏安测试、恒流充放电测试等手段表征其电化学性能。将沥青粉末和硅油按照1g:20ml的比例混合,在350℃～500℃的范围内随着温度的升高,沥青的聚合程度不断提高,当温度过高时则会出现融并的现象;随着反应时间的延长,沥青液滴逐渐趋于球状,并逐渐长大,保温时间4h的样品形貌较好;将1%(质量分数)十二烷基苯磺酸钠作为表面活性添加至反应体系后,对结果有很大改善,所得样品的平均粒径为20.5um,主要分布在4～30um之间;微球的产率由32.7%提高至82.7%。为了进一步提高样品的形貌,将炭黑、碳化硅及石墨作为添加剂加入反应体系中,均得到了较好的结果。添加1%炭黑的样品的粒径主要分布在15um～25um之间。样品的电化学性能测试显示:以添加1%石墨制备的样品为例,其首次放电容量为422.1mAhg~(-1),可逆容量为359.4mAhg~(-1),首次效率为85.2%,循环50次后,容量保持率为97.7%。在1Ahg~(-1) 2Ahg~(-1)电流密度下,样品的放电容量分别为283.6 mAhg~(-1)、203.6 mAhg~(-1),显示优越的电化学性能。
【图文】：

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本实验中另一个重要的制备原料为硅油。使用硅油作为实验用的分散下几点原因：首先，本实验所用硅油为二甲基硅油，具有一定的极性，中青能够在硅油中很好分散；其次，相比水或其他极性溶剂而言，在密度上中间相沥青炭微球接近，便于生成的中间相炭微球在硅油体系中存在；然实验中硅油不仅充当分散剂的角色，还起到导热剂的作用，可在低于１８０°Ｃ件下使用，相比能在更高温度下工作的甲基苯基硅油而言，价格便宜。最油在反应过程中进入到芳烃大分子的片层中，对片层结构有一定的溶胀作作为电极材料时，便于锂离子的迁入迁出。逡逑３．２反应条件对中间相炭微球形成的影响逡逑制备中间相沥青炭微球首先要对原料沥青进行一定程度上的预处理，原料沥青粉碎，４０°Ｃ下烘干１２ｈ，将烘干的沥青粉末分级过筛，所使用的分别为０目（不过筛）、１００目、２００目、３００目。将筛分后的沥青粉末与

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图３－２不同温度制备ＭＣＭＢ的偏光照片逡逑Ｆｉｇ３－２邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＭＣＭＢｓ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑图３－２是在保持其他实验参数不变的情况下，只改变保温温度，所制备出的逡逑中间相沥青炭微球的偏光照片。保温温度在本实验的研究中是一个非常重要的条逡逑件，它决定了原料沥青能否有效的发生中间相的转变，同时对于整体中间相沥青逡逑炭微球的收率也有很重要的影响。图（ａ）、Ｃｂ）、（ｃ）、（ｄ）分别为３５０°Ｃ、３８０°Ｃ、逡逑４１０°Ｃ、４４０°Ｃ条件下制备出的中间相炭微球，，这里的温度为釜内温度即反应温度。逡逑２１逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;O646

【参考文献】