商业化的锂离子电池石墨负极材料的研究进展

综述了锂离子电池石墨负极材料的研究进展,对MCMB、天然石墨与人造石墨、炭纤维为代表的石墨负极材料目前的研究和应用现状进行了详细的论述,并对石墨类炭负极的发展作了展望。     

中间相炭微球的分离与表征

中间相炭微球(Mesocarbon Microbeads, MCMB)是一种理化性能优异的球形富炭材料,是制备高品质人造炭/石墨材料的优质前驱体。热缩聚法生产MCMB的技术已经较为成熟,但是影响MCMB收率和性能的重要因素之一在于MCMB的高效分离。本文以商业化富含中间相炭微球的改质沥青(MP)为原料,洗油为萃取剂,甲苯为清洗剂,通过溶剂萃取分离法分离MCMB。以MCMB的收率、挥发分、粒度均匀性指数(PUI)为评价参数,考察了料液比、萃取温度、萃取时间对分离效果的影响。结果表明:当料液比为1∶2、萃取温度为170℃、萃取时间为2 h时,MCMB的收率为20.60%,挥发分为9.41%,平均粒径为21.03μm,粒度均匀性指数(PUI)为0.6722。并利用TGA、XRD、Raman光谱以及SEM对MCMB的热稳定性和微观结构进行了研究。     

中间相炭微球的研究进展

中间相炭微球(mesocarbon microbeads,MCMB)具有良好的化学稳定性、优良的导热导电性能,是一种有着极大开发潜力和应用前景的炭材料。本文对中间相炭微球的形成机理及其性能的改进进行了概述,并介绍了其作为锂离子电池负极材料的优势、嵌锂模型、电化学性能的改进方法及其发展趋势。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

采用氢氧化钾-氢氧化钠复合活化剂制备炭微球吸附材料

以中间相炭微球(MCMB)为原料,以掺杂一定比例氢氧化钠的氢氧化钾为活化剂,采用化学活化法制备了炭微球吸附材料。通过甲基橙吸附和孔隙比表面积测试分析了活化产物的吸附性能,研究了碱炭比、活化温度和氢氧化钠掺杂比例对材料吸附性能的影响。结果表明:碱炭比和活化温度均对材料的吸附性能产生影响,活化剂中掺杂适量的氢氧化钠可提高材料的比表面积和吸附能力。当碱炭质量比为6、活化温度为800℃、氢氧化钠掺杂比例为33%(质量分数)时,制备的吸附材料对甲基橙的吸附效率最高达到98.6%,吸附-脱附等温曲线属于I型吸附等温线,吸附材料以微孔为主并存在少量中孔,比表面积为1 694.2 m2/g。     

中间相炭微球模压高密高强炭/石墨材料的XRD研究

以中间相炭微球(MCMB)为原料,在100 MPa的压力下冷模压成型后,再经过热处理得到高密高强炭/石墨材料.考察了不同热处理温度对制品的力学性能以及微晶结构的影响.实验结果表明,MCMB制品具有较高的机械强度;制品的石墨化程度随热处理温度的提高而迅速提高,热处理温度超过2 400℃后,制品已经呈现出石墨化特征,经过2 800℃处理后,制品的石墨化度达刭了78%.     

中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的研究现状

中间相炭微球（MCMB）由于具有独特的类石墨的片层结构,是一种极具发展潜力的锂离子电池负极材料,它除了具有一般炭负极材料的优点外,由于其球形层状结构还使其具有密度高、易脱嵌锂、边界损失小等特,董。本文主要论述了锂离子电池负极材料中间相炭微球的制备、热处理和改性等方面的研究现状及存在的问题;在当今锂离子电池高容量低成本的发展要求下,预期低温热处理的中间相炭微球将是今后的研究重点。     

Tween20对中间相炭微球制备分离过程的影响

通过对中间相炭微球（MCMB）表面形貌的分析,说明添加Tween20样品E4的团聚现象明显低于原样AY,煤沥青聚合的MCMB的形成过程以融并生长和球形基本单元构筑方式生长。针对MCMB制备过程中存在的中间相小球体分离困难、产品收率低、生产成本高等问题,研究了以煤沥青为原料,采用聚合法制备分离MCMB的过程中,非离子表面活性剂Tween20对MCMB分离效率及结构、性能的影响。结果表明：Tween20对MCMB的最终性能未产生不利影响,在分离萃取剂中添加质量分数为0.1%的Tween20时,滤饼渗透性大幅提高,过滤时间明显减少,分离效率可提高近25%,同时MCMB的分离收率最高,达到23.3%。Tween20的加入使得制备的MCMB及石墨MCMB均具有良好的分散性,从而保证了其作为制备锂电池负极材料的良好充放电性能。     

MCMB/水性粘结剂体系锂离子电池负极制备工艺研究

在锂离子电池炭负极的制备中，粘结剂和导电炭黑用量、不同的碾压及封装条件都将影响电池的电化学性能。通过循环伏安及恒电流充放电测量技术，研究了中间相炭微球（MCMB）／水性粘结剂负极制备中上述因素的影响，发现水性粘结剂含量为2wt％（羰甲基纤维素钠：丁苯橡胶=1：1，质量比）、导电炭黑含量为3wt％、负极碾压压力为25MPa、封装压力50MPa时，MCMB作为负极材料时表现出了较好的充放电性能，可逆放电容量达到了320．3mAh／g。且水性粘结剂工艺性能良好，可以考虑代替成本高且对环境有污染的有机粘结荆。     

炭材料表面改性及应用研究进展

炭材料是一种应用广泛的吸附剂和催化剂载体,其表面化学性质对炭材料性能影响重大。为了提高其吸附、催化等性能,需要对炭材料表面官能团进行调控。介绍了炭材料表面改性方法(氧化法、还原法),对工业、环境领域的应用进展进行了评述,并提出了炭材料改性技术的研究发展方向。     

中间相炭微球研究进展

中间相炭微球是一种新型炭材料，它是在研究中间相的过程中发展起来的，其理论基础是中间相理论。系统地介绍了中间相炭微球的发展过程，制备原料和制备方法，此外，还对中间相炭微球的分析方法，应用领域进行了介绍，并对其发展前景作了预测，指出了几个重要的发展方向。     

中间相沥青炭微球及其在锂离子二次电池方面的应用

中间相沥青炭微球是一种特殊形态的炭材料前驱体，在众多领域有着广泛的应用。本文介绍了中间相沥青炭微球的制备、结构及性质，在此基础上重点综述了几年来中间相沥青炭微球在高性能锂离子二次电池电极材料方面的应用进展，并指出今后的研究方向。     

Multiwalled nanotube-coated mesophase carbon microbeads for use as anode material in lithium ion batteries

The recent developments in lithium ion secondary batteries (LIBs) have been achieved by using selected carbon materials as the anode. Mesophase carbon microbead (MCMB) anode materials have stable Li intercalation and de-intercalation characteristics, making them a good anode material for use in LIBs. However, batteries with pure MCMB anodes are known to have a low power density. Multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) are one of the most promising materials for improving a range of electrochemical energy conversion and storage devices because of their unique physical properties, including high electrical conductivity and superior chemical and mechanical stability. Therefore, in this study, MWNTs were deposited on the surface of MCMB anodes to improve their electrical conductivity. The anode materials were separately functionalized using carboxylic acid and amine groups to form MWNT-COOH and MCMB-NH₂, respectively, providing them with surfaces of opposite charge. The surface morphology was assessed using scanning electron microscopy, and the electrochemical characteristics were analyzed by cyclic voltammetry and AC impedance measurements in a coin cell. The AC impedance and cyclic voltammetry measurements indicated that MCMBs with MWNTs deposited on their surfaces are promising electrode materials, providing high power density for LIBs.     

木质素碳纳米材料制备及在催化中的应用研究进展

木质素是自然界储量丰富的可再生资源,含碳量高且具有三维网状结构和大量共轭结构。碳材料是一类具有极大应用价值的催化材料,特别是在电催化、热催化和光催化领域。以木质素为原料制备高活性的木质素碳基催化剂是实现木质素高附加值利用有效的途径之一。木质素碳催化材料研究涉及化学、化工和物理等多个学科领域,制备性能优异和稳定性良好的木质素碳基催化剂仍充满挑战。本文主要总结了木质素碳材料的制备研究进展,以及介绍了木质素碳材料在光催化、热催化和电催化等领域的应用研究现状。此外,还分析了当前木质素碳基催化材料存在的问题,并展望了未来的发展趋势和重点研究方向。     

Effect of vinyl acetate plus vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate plus biphenyl as electrolyte additives on the electrochemical performance of Li-ion batteries

For application to Li-ion batteries, we studied the electrochemical behavior and thermal stability of the following two combinations of binary electrolyte additives in a triphenylphosphate (TPP)-containing ionic electrolyte: vinyl acetate (VA) plus vinylene carbonate (VC), and vinyl ethylene carbonate (VEC) plus biphenyl (BP). Mesocarbon microbeads (MCMB) and LiCoO₂ were used as the anode and cathode materials, respectively. Cyclic voltammetry (CV), differential scanning calorimetry (DSC), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and scanning electron microscopy (SEM) were used for the analyses. These results confirmed the capability of the VEC + BP electrolyte additive to improve the cell performance and electrolyte thermal stability in TPP-containing solutions in Li-ion batteries.     

热处理温度对锂离子电池用中间相炭微球结构及性能的影响

中间相炭微球作为一种重要的锂离子电池的负极材料,其结构直接关系到锂离子电池的充放电性能。以沥青为原料在惰性环境下,进行热缩聚反应,制备出中间相炭微球。采用XRD手段分别对炭化样品的和石墨化样品（热处理温度不同的炭微球）进行结构分析,又通过恒电流仪对他们的充放电性能进行了测试和结果比较。探讨了热处理温度对中间相炭微球结构及其性能的影响。     

Processing of mesocarbon microbeads to high-performance materials: Part III. High-temperature sintering and graphitization

The sintering and graphitization behavior of mesocarbon microbeads (MCMB) at high temperatures (1900-2800 K) is investigated. It is shown that while the low temperature sintering performance of MCMB is unique, at high temperature it appears to be similar to that of conventional materials. In contrast, the obtained activation energy for MCMB high-temperature graphitization is ∼100 kcal/mol, which is smaller than that (∼240 kcal/mol) for typical carbon systems. It is concluded that the combination of such unique properties as excellent compressibility, low temperature sinterability, and rapid graphitization makes MCMB an attractive precursor for manufacturing carbon-based materials.     

添加碳素复(混)合相变储热材料的研究及应用进展

相变储热材料因具有储热密度大、相变温度变化小且过程易控制等优点而在许多领域具有重要应用。但传统的相变储热材料存在导热系数低及固-液相变过程中液态泄漏问题,阻碍了其实际应用。碳材料如石墨、碳纤维、碳泡沫和膨胀石墨,他们都具有高导热系数、低密度和良好的化学稳定性。将碳材料添加到相变储热材料中或与相变储热材料进行复合,从而构成碳素复(混)合相变储热材料,储热材料的导热系数及其性能可明显提高。本文综述了碳素复(混)合相变储热材料的研究进展。利用膨胀石墨的多孔特性吸附有机物制备膨胀石墨基复合相变储热材料,其储热密度大、导热系数高、性能稳定、成本低且在固-液相变过程中没有液态的流动性问题,是未来研究和应用最重要的碳素复合相变储热材料。