玉米秸秆基生物质碳材料的制备及其电化学性能研究

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1、分类号：TQ152单位代码：10183研究生学号：2015434019密级：公开吉林大学硕士学位论文（专业学位）玉米秸秆基生物质碳材料的制备及其电化学性能研究PreparationandElectrochemicalPropertiesofBiomassCarbonMaterialDerivedfromCornStalks作者姓名：李纯类别：工程硕士领域（方向）：材料工程指导教师：李义教授郝博高级工程师培养单位：材料科学与工程学院2018年5月—————————————————————玉米秸秆基生物质碳的制备及

2、其电化学性能研究—————————————————————PreparationandElectrochemicalPropertiesofBiomassCarbonMaterialDerivedfromCornStalks作者姓名：李纯领域（方向)：材料工程指导教师：李义教授郝博高级工程师类别：工程硕士答辩日期：2018年5月26日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作

3、权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明：本人郑重声明所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：曰期：＞年／月曰／？个摘要玉米秸秆基生物质碳材料的制备及其电化学性能研究摘要由于具

4、有工作电压高、能量密度高、自放电率低和绿色环保等诸多优点，锂离子电池成为目前为止最具潜力的储能电源。锂离子电池成功的一个关键因素是负极材料能够可逆地脱/嵌锂离子。目前，实际应用的锂离子电池负极材料多为石墨类材料，但其所能提供的电池容量已逐渐不能满足日益增长的能量需求。而且随着石墨资源的减少，未来锂电池研究的重点将朝着高库伦效率、高循环性能和低成本的方向发展。玉米秸秆是价格低廉且来源广泛的农业废弃物，但在农业生产中利用率较低。以玉米秸秆作为原材料制备锂离子电池负极材料，不仅能实现对农业废弃物的合理利用，而且可以有

5、效缓解环境污染和能源危机等问题。本文利用农业废弃物玉米秸秆为原材料，采用不同的活化剂及工艺制备多孔生物质碳材料，并对生物质碳材料进行物理表征及电化学性能测试。主要研究内容与结果如下：（1）将玉米秸秆的皮层和芯分离后，选取玉米秸秆芯为原料。以KOH为活化剂，采用先热解碳化后活化的方法制备多孔生物质活性碳。BET比表面积测试值为1266.83m2g−1，孔径分布主要在2-20nm。将其应用于锂离子电池的负极材料，在电流密度为0.2C时循环100个周期后生物质活性碳电极的放电比容量为504mAhg−1。当电流密度为5

6、C时，放电比容量为275mAhg−1。与未活化的生物质碳材料相比，多孔生物质活性碳中丰富的介孔结构使电池的电化学性能得到显著提高。（2）采用CaCl2溶液浸渍玉米秸秆后进行碳化和活化从而制得玉米秸秆多孔生物质碳材料。主要探究了活化温度和氯化钙用量对玉米秸秆生物质碳材料孔隙结构和性能的影响。当活化温度为600℃，玉米秸秆与CaCl2质量比为1:2.5时，生物质碳材料的孔隙结构更丰富，而且循环性能和倍率性能更优异。在0.2C倍率下循环100圈后的放电比容量为783.8mAhg−1。即使在10C的高电流密度下，也可以

7、获得高达347mAhg−1的比容量。这主要是由于更大的比表面积和丰富的孔隙结构增大了反应物与电解液的接触面积和渗透率，为锂离子的嵌入/脱出提供了更大的自由运动空间。I吉林大学硕士学位论文（3）以玉米秸秆为原料，分别水解半纤维素、提取木质素以及水解纤维素，可以得到木糖、碱木质素和葡萄糖等工业原料，这些产物经处理后可进行高附加值应用。剩余的残渣用来制备多孔生物质碳，最终可以实现玉米秸秆的综合利用。经扫描和透射分析可知，制备的残渣碳具备中空碳微球和介孔片状碳的共存结构。通过电化学测试表明，在电流密度为0.2C时，材料

8、的初始放电比容量为1116.8mAhg−1，循环100个周期后，可逆比容量可达438.9mAhg−1。关键词：锂离子电池，负极材料，玉米秸秆，生物质碳，多孔结构IIAbstractPreparationandElectrochemicalPropertiesofBiomassCarbonMaterialDerivedfromCornStalksAbstractUntilnow,lith