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玉米丝和柳树叶生物质衍生碳的制备及其储钾性能的研究

摘要

随着锂离子电池在电动车以及各种智能电子设备领域的广泛应用，锂资源分

布不均匀以及价格昂贵等问题日益严重，探索新的储能器件来缓解锂离子电池所

面临的问题势在必行。钾与锂属于同一主族元素，具有与锂相似的电化学性质，

同时钾金属在地壳中的含量较为丰富，分布广泛且更易获得，因此钾离子电池逐

渐被科研工作者所关注，有望成为下一代新型储能设备之一。

钾离子电池的研究目前还处于初始阶段，提升电池性能的关键在于其电极材

料的选择。碳材料作为钾离子电池负极材料之一，展现出了非常出色的电化学性

能。而生物质碳作为碳材料的重要分支之一，由于其分布广泛、绿色环保、易于

加工以及可逆比容量较高等优点，成为钾离子电池负极材料的研究热点之一。本

文以不同的废弃生物质(玉米丝、柳树叶)作为原材料，通过不同的处理条件(水热

温度、碳化温度)制备出生物质衍生碳，研究了生物质衍生碳作为钾离子电池负

极材料的电化学性能。具体研究内容如下：

(1)以废弃的玉米丝为原材料，采用水热加碳化的工艺制备出具有特定形貌

的氮(N)与氧(O)双掺杂的玉米丝多孔生物质衍生碳。将多组玉米丝在相同的温度

和时间下进行水热处理后获得前驱体，然后将该前驱体在不同的温度下进行碳化

处理，获得具有不同石墨化程度的生物质衍生碳。碳化后残留在碳材料中的N、

O原子，能够改善碳材料的晶格间距，为钾离子在嵌入/脱出的过程提供大量的

的电解质/离子通道和有效的活性位点。将玉米丝衍生碳(NOPC-750)用作钾离子

-1-1

电池负极材料展现出了优异的倍率性能(20Ag时为105.8mAhg)和循环稳定

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性(在1Ag时，充放电2600个周期后，比容量稳定在155.6mAhg)。

(2)以废弃的柳树叶为原材料，通过不同时间的水热处理和800ºC下的碳化

处理后，制备出具有特殊形貌的硬碳材料。不同的水热时间对于材料的形貌变化

起着重要的作用。在经过12h的水热处理之后，通过碳化处理获得的碳材料

(WWLC-12)具有更均匀的形态和更加稳定的结构。将WWLC-12用作钾离子电

池电极材料，在0.1Ag-1的电流密度下循环100个周期后，其容量可以稳定在190

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mAhg，在1Ag的电流密度下，在进行1800次充放电后，容量可以稳定在

103.7mAhg-1。与其它的四种电极材料相比，WWLC-12电极的电化学循环性能

和倍率性能均得到了明显的改善。

关键词：

钾离子电池；生物质衍生碳；水热碳化法；负极材料；硬碳材料

PreparationsandPotassiumStoragePropertiesofBiomassCarbon

DerivedfromCornSilkandWillowLeaves

Abstract

Withthewideapplicationsoflithium-ionbatteriesinthefieldsofelectric

vehiclesandvarioussmartelectronicdevices,theunevendistributionoflithiummetal

andthehighpricehavebecomeincreasinglyserious.Exploringnewenergystorage

devicestoalleviatetheproblemsfacedbylithium-ionbatteriesisimperative.

Pota