新型炭气凝胶微球的制备及其在锂离子电池中的应用

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1、北京化工大学研究生学位论文摘要炭凝胶具有独特的结构，是一种多孔性材料，其多孔率高达80％～99．8％，孔洞尺寸一般<50m，比表面积高达200～1200m2／g。因为超凡的结构和特点，炭气凝胶在很多领域有着广泛的应用。在电极材料方面已经进入实用化阶段，最近有研究将炭气凝胶或炭气凝胶改性应用在锂离子电池负极材料领域，取得了很好的效果，这也是本论文的主要工作之一。在本课题中，主要合成了四种炭气凝胶微球：间苯二酚和甲醛为前驱体的RF炭气凝胶微球，纳米硅粉掺杂的RF炭气凝胶，硅复合材料，2，4一二羟基苯甲酸和甲醛为前驱体的DF炭气凝胶微球，Fe催化石墨化的DF炭气

2、凝胶微球。使用表面活性剂、搅拌等，对物质进行裁减，合成制备出新型的有机气凝胶微球和炭气凝胶微球。经过测试表明，所合成出的有机气凝胶具有规则的球形形貌，其颗粒的大小尺度在几个pm到100¨m之间。随后的炭化后所得到的最终炭气凝胶产物也仍然保持住了原来有机气凝胶的球形形貌。分析了炭气凝胶微球的形成机理，认为微球的形成是发生在溶胶．凝胶反应过程中，由于表面效应，液滴自动组装形成球形形貌并最终保持下来。干燥条件对炭气凝胶微球的形貌有很大影响，只有经过超临界干燥的样品才能够保持住规则的球形度。条件试验表明，催化剂浓度对颗粒大小的分布有很大影响，随着催化剂浓度的增高，

3、炭气凝胶微球颗粒直径逐渐增大。另外，炭化也使气凝胶微球颗粒发生很大的收缩。通过离子交换法，在炭气凝胶微球中引入了Fe，对材料进行催化石墨化。结果表明，经催化石墨化的炭气凝胶具有非常规则、有序的石墨化条纹，其层间距0．337蛳，接近石墨的理论值。DsC测试结果表明，Fe的催化作用主要是发生在626℃以上，主要是Fe从炭基体中的“溶进溶出”作用，使材料由原来的无定形结构向有序的结构转变。Fe的掺入同时也会使材料的多孔结构发生变化。纯的RF炭气凝胶微球在锂离子电池中的首次容量高达817mAIl／g，然而由于巨大的比表面积，其首次存在较大的不可逆容量损失。为此，我

4、们将纳米硅粉掺入到炭气凝胶的网络结构之中，制各出炭／硅复合材料。取得了良好的效果，其首次容量充电达到663m舢／g，经过20次循环后容量仍然保持在484mAIl／g。达到了同时提高负极材料的容量和循环性能的目的。对石墨化的炭气凝胶微球和北京化工大学研究生学位论文非白墨化的炭气凝胶微球进行了充放电测试的结果表明，石墨化的炭气凝胶微球性能优于无定形的炭气凝胶微球。关键词：溶胶．凝胶、炭气凝胶微球、掺杂、炭／硅复合材料、负极材料、石墨化II北京化工大学研究生学位论文PreparationofnoVelmicrospherIcaIcarbonaerogelsand

5、it’sappIicationasanodematerialsforlithlumonbatteriesAbstractCarbonaerogelsareanovelporousmaterialwim80％to99．8％ofporosityof出eentireentityandtllespeci矗csurf．acearearangefoHn200to1200m79．Carbonaerogelsarewidelyappliedinmanyfieldsf-oritsuniquestnlcturesandpropenies．The印plicationofcarb

6、onaerogelsaselectrodematerialsisaVailableincommercialfieId．RecentIy，carbonaeogeIsanddopedcarbonaemgeIsasa110dematerialsforlithiumionbatteriesareVigorouslycarriedout．Inourstudies，wehavepreparedfourkilldsofmicroSphericalcarbonaerogels，resorcin01and内mlaldehydeasprecursortennedasRFmic

7、rosphericalcarbonaerogels，nallo—Sipowderd叩edRFmicrosphericalcarbonaerogels，2，4一dihydroXybenzoicacida11dfomlaldehydeasprecursortermedasDFmicrosphericalcarbonaerogels，aswellasFecatalyzedDFmicrosphericalcarbonaerogels．Surfactantandagi诅tionareusedforpreparationofmicrosphericalorgaJlic

8、aerogelsandcarbonaerogels，whichdi