自-碳微球的水热法制备及电化学性能的研究 .pdfVIP

老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。——唐·王勃

碳微球的水热法制备及电化学性能的研究

摘要

在众多形式各异、功能独特的碳材料中,碳微球以其结构形貌规整、导热系

数高、耐热性能良好、物理与化学性能稳定等优越性,引起研究人员的广泛关注,

在电磁学、生物、物理、化学化工、材料学等多个领域具有巨大的应用价值。因

此,碳微球的制备与研究工作具有重要意义。在众多的制备方法中,水热法具有原

料价廉易得、成本投入低、生产能耗少、工艺绿色环保、设备简单易操作等优点,

成为近年来制备碳微球的研究热点。

本文主要研究了利用水热法制备碳微球材料并测试其在锂离子电池应用中的

电化学性能。

关键词:碳微球,水热法,锂离子电池，电化学性能

第一章文献综述

1.1碳微球材料及其电化学性能

１.1.１碳微球的发现

碳微球是由石墨片层在玻璃相的石墨结构间断分布而构成，最初是在20世纪

60年代被发现的。科学家在研究煤焦化的过程中偶然发现在镜煤质中生成了少

量光学各向异性的小球，该球长大融合最终生成镶嵌结构,即为中间相碳微球的

前驱体。如图1-1所示的Taylor模型,小球内部由多个聚合芳香环的平滑大分子

垒积而成。与图中的平行弧线保持一致,球体内部各层片沿赤道平面取向排列。

1973年,Hoｎda和Yaｍadａ通过对筋青＇进行分离从而首次制得微米级的中间

相小球。由于沥青类物质和稠环芳烃化合物在高温热处理条件下发生热缩聚反应

导致中间相的转变，从而生成中间相小球。该小球彼此之间通过长大、相互熔融，

老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。——唐·王勃

最终相容合体，称之为中间相碳微球(ｍesocａｒｂonmｉcrobeadｓ,MCM

Ｂ）。

早期制备碳微球的原料以中间相沥青为主。近年来,世界各国科研人员逐步研究

使用非沥青原料制备碳微球,通过不同的方法成功合成出粒径大小与结构不同的

碳球材料，大大丰富了碳材料的研究领域。Ｓeｒｐ等根据粒径尺寸将碳球分为:

(１)具有封闭的石墨层结构的富勒烯族;(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径约

50nm~ｌμｍ;（3)碳微球,直径１μm以上。其中，碳微球因其本身具有的潜在优

越性,如高导热系数和电导率、良好的耐热性能、优异的化学稳定性与自烧结性

能等,在众多新技术研究领域有着广泛的应用价值和巨大的经济效益,成为全球各

界科研人员争相关注的焦点。这些优异特性使其作为一种高性能的功能材料,越

来越多地应用于锂离子电池电极材料、中空球状材料的制作模板、催化剂载体、

电化学电容器材料、活性碳球吸附材料以及药物输送等多领域。

1．1.2碳微球的电化学性能

虽然中间相碳微球的制备和应用开始于２0世纪60、70年代,但直到20

世纪９0年代才有在锂离子电池中应用的文献报道。目前商品化的锂离子电池

主要负极材料是高度石墨化的MCMB,具有优良的循环性能,可逆容量在３０

０mＡh/ｇ左右。虽然其价格较高，但在各种档次的电池中仍然具有极大的优

势,因此它在市场中具有很大的发展前景。

MCMＢ用作锂离子电池负极材料除了具有石墨类碳负极的一般特征外，其

结构和形态也具有一定的优势：(1)MCMＢ本身是球状结构,堆积密度大,可以

实现紧密填充,可以制作体积比容量高的电池；（2)比表面积小,减少了充电时由于

老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。——唐·王勃