煤基中間相瀝青的調(diào)制及其炭化產(chǎn)物的電化學(xué)性能

姚偉強(qiáng),佟令文,何 虎,曹瑞雄,劉學(xué)偉,陳文勝,李 琨,尹智鵬,宋懷河

(1.北京化工大學(xué) 化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;2.北京化工大學(xué) 常州先進(jìn)材料研究院,江蘇 常州 213000)

0 引 言

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召,發(fā)展綠色清潔能源,鋰離子電池因其能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、安全低污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。針狀焦因結(jié)晶度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好,可應(yīng)用于超高功率石墨電極,是鋰離子電池負(fù)極材料的生產(chǎn)原料。生產(chǎn)針狀焦原材料包括煤系針狀焦和石油系針狀焦,而其中煤系針狀焦原材料來(lái)源于煤瀝青[1-2]。煤瀝青是煤焦油深加工得到的副產(chǎn)物,其產(chǎn)率一般為煤焦油蒸餾原料的50%～60%。煤瀝青是由多種多環(huán)芳烴化合物組成的混合物,成分非常復(fù)雜。我國(guó)煤炭資源豐富,開(kāi)發(fā)煤瀝青的相關(guān)產(chǎn)品、提高煤瀝青的應(yīng)用價(jià)值具有重要意義[3]。

楊洲等[4]探究了不同熱處理溫度下針狀焦的結(jié)構(gòu)變化及電化學(xué)性能,結(jié)果表明,隨著熱處理溫度的升高,針狀焦經(jīng)歷了從無(wú)定形碳到三維有序石墨的結(jié)構(gòu)變化,主要嵌鋰機(jī)制由表面吸附儲(chǔ)鋰和碳層邊緣嵌鋰向石墨微晶層間嵌鋰轉(zhuǎn)變。焦妙倫等[5]在750～2 200 ℃對(duì)針狀焦在進(jìn)行炭化處理,并將生焦進(jìn)行瀝青基兩親性炭材料包覆,900 ℃炭化后繼續(xù)用氫氣對(duì)其還原處理,從而優(yōu)化針狀焦的電化學(xué)性能,其針狀焦基鋰離子電池負(fù)極材料首次庫(kù)倫效率、倍率性能均得到了一定提高。

為研究針狀焦成焦條件、結(jié)構(gòu)特性及其電化學(xué)性能,筆者以煤焦油瀝青為研究對(duì)象,考察了聚合條件(溫度、時(shí)間和壓力)對(duì)中間相瀝青形貌結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)探討了炭化和石墨化對(duì)聚合產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)的影響,最后分析其炭化和石墨化產(chǎn)物電化學(xué)性能。提供了該煤焦油瀝青適合成焦的反應(yīng)條件,為同類(lèi)型制備針狀焦提供借鑒。

1 試 驗(yàn)

1.1 原 料

采用鞍鋼高溫煤瀝青作為原料,煤瀝青的具體性質(zhì)見(jiàn)表1,試驗(yàn)試劑見(jiàn)表2。

表1 瀝青樣品分析Table 1 Pitch sample analysis

表2 化學(xué)試劑說(shuō)明Table 2 Description of chemical reagents

1.2 試驗(yàn)方法

將3.5 kg粉末狀煤瀝青裝入型號(hào)為GSH-10的10 L反應(yīng)釜中,蓋上釜蓋,啟動(dòng)加熱程序升溫至110 ℃,通氮?dú)獯祾?～5 min,排除釜內(nèi)的空氣。打開(kāi)攪拌,設(shè)定攪拌槳轉(zhuǎn)速在80 r/min左右,設(shè)定程序開(kāi)始升溫。壓強(qiáng)采用自升壓的方式即溫度升高體系內(nèi)產(chǎn)生氣體分子從而升高壓強(qiáng)。反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)緩慢打開(kāi)或關(guān)閉出氣閥以維持指定壓力。高溫煤瀝青在自升壓狀態(tài)下分別加熱至420～450 ℃,并恒溫停留5 h、 430 ℃停留3～9 h和440 ℃-7 h改變反應(yīng)壓力(0～3 MPa)的條件下進(jìn)行熱縮聚反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后當(dāng)溫度降至350 ℃以下時(shí)打開(kāi)排氣閥緩慢排氣降壓,使釜內(nèi)的氣壓與大氣壓相等,排氣結(jié)束后關(guān)閉排氣閥。待釜內(nèi)溫度降至80 ℃以下時(shí)開(kāi)釜取出聚合產(chǎn)物。

將一定量的中間相瀝青焦加入高溫炭化爐中在高純N2保護(hù)下以一定升溫程序升溫至1 000 ℃或1 200 ℃,并在此溫度保溫2 h獲得炭化樣品;進(jìn)一步將炭化樣品進(jìn)行2 800 ℃石墨化處理1 h,得到石墨化樣品。

1.3 分析測(cè)試

收率計(jì)算公式:

(1)

式中,Yp為反應(yīng)結(jié)束后的收率;mp,s為產(chǎn)物的質(zhì)量;mp,l為物料的質(zhì)量。

灰分:

(2)

式中,X為樣品中灰分,%;m1為坩堝和灰分的質(zhì)量,g;m2為坩堝的質(zhì)量,g;m3為坩堝和樣品的質(zhì)量,g。

取3 g產(chǎn)物樣品放入恒重的坩堝中,將坩堝放入馬弗爐中900 ℃保溫,直至坩堝恒重,按上述公式計(jì)算產(chǎn)物灰分。

XRD測(cè)試:碳材料的微晶參數(shù)[5]主要包括兩相碳層面間距d002、層面直徑La和層面堆積高度Lc。

(3)

(4)

(5)

其中,K=0.89～0.94,是與晶粒形狀有關(guān)的常數(shù),此處取K=0.94;λ=0.154 1 nm;θ為衍射角;β002及β100為各峰的半峰寬,rad。

偏光測(cè)試:取小塊產(chǎn)物,放入磨具中,注入環(huán)氧樹(shù)脂以及固化劑進(jìn)行包埋,待固化后,取出樣品,依次用不同目數(shù)的砂紙進(jìn)行打磨,最后用拋光機(jī)拋光。在日本奧林巴斯公司生產(chǎn)的BX51M型偏光顯微鏡下觀測(cè)產(chǎn)物的偏光結(jié)構(gòu)并拍照。

電化學(xué)性能測(cè)試:① 制粒:將炭化后的產(chǎn)物用粉碎機(jī)粉碎,過(guò)320目(45 μm)篩后在真空烘箱中80 ℃烘干8 h。② 原料的配制:取烘干后原料3～4 g,按活性物質(zhì)蒸餾水∶乙醇∶CMC∶導(dǎo)電劑∶SBR=100.0∶80.0∶10.0∶1.3∶1.3∶2.6質(zhì)量比稱(chēng)取。將蒸餾水、乙醇與CMC放入研缽,研磨混合均勻?qū)?dǎo)電劑加入其中混合,待三者混合均勻后加入碳粉混合,最后加入SBR混勻,將混勻的原料均勻涂在銅箔上,將涂好的銅箔在真空烘箱中120 ℃烘烤8 h。③ 制作電池:將烘好的銅箔切割成直徑8 mm的小圓片,將隔膜紙切割成直徑12 mm的圓片,且準(zhǔn)備電池殼等材料組裝好電池靜置24 h,之后進(jìn)行電化學(xué)性能的測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合產(chǎn)物收率及灰分分析

不同條件下聚合產(chǎn)物的收率及灰分見(jiàn)表3,可知當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為5 h,以自升壓的方式進(jìn)行聚合時(shí),隨溫度升高聚合產(chǎn)物收率隨之降低,灰分隨之升高。由于溫度升高會(huì)使熱縮聚反應(yīng)的活性增加,促進(jìn)熱縮聚反應(yīng)進(jìn)行,生成更多的小分子,導(dǎo)致輕組分物質(zhì)逸出,收率降低。其中420、430和440 ℃時(shí)聚合產(chǎn)物無(wú)焦化傾向,450 ℃時(shí)聚合產(chǎn)物焦化傾向明顯。當(dāng)反應(yīng)溫度為430 ℃,以自升壓的方式進(jìn)行聚合時(shí),隨時(shí)間延長(zhǎng)聚合產(chǎn)物收率降低。這是由于時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)使熱縮聚反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,從而生成了更多小分子,輕組分物質(zhì)逸出,導(dǎo)致收率下降,并且所有聚合產(chǎn)物均沒(méi)有焦化傾向。當(dāng)反應(yīng)溫度為440 ℃,反應(yīng)7 h時(shí),隨著反應(yīng)壓強(qiáng)的增大聚合產(chǎn)物收率隨之升高。這是由于壓強(qiáng)會(huì)阻礙小分子輕組分排出,且壓強(qiáng)越大阻礙效果越明顯,根據(jù)化學(xué)平衡原理,壓強(qiáng)增加反應(yīng)會(huì)朝氣體體積減小的方向進(jìn)行,即阻礙熱縮聚反應(yīng)的進(jìn)行,從而使熱縮聚反應(yīng)程度降低,收率升高,并且所有的聚合產(chǎn)物均有焦化的傾向。由以上分析可知高溫、長(zhǎng)時(shí)間和低壓有利于熱縮聚反應(yīng)的進(jìn)行,當(dāng)溫度在440與450 ℃時(shí),產(chǎn)物具有焦化傾向,其中450 ℃在反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)開(kāi)始焦化,而440 ℃時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)壓力控制產(chǎn)物是否焦化。

表3 聚合產(chǎn)物的收率及灰分Table 3 Yield and ash of polymerization products

隨著反應(yīng)溫度升高,灰分逐漸增加,這可能是由于溫度增加了熱縮聚反應(yīng)的活性,促進(jìn)熱縮聚反應(yīng)的進(jìn)行,生成了分子量更大的產(chǎn)物。作為固體物質(zhì),灰分會(huì)富集在重質(zhì)聚合產(chǎn)物中,在高溫下仍不能分解,導(dǎo)致灰分增加。同理延長(zhǎng)時(shí)間和減小壓力都可促進(jìn)熱縮聚反應(yīng)進(jìn)行,灰分增加。

2.2 聚合產(chǎn)物的偏光分析

圖1(a)～1(d)分別為反應(yīng)溫度420、430、440、450 ℃的偏光圖,控制反應(yīng)時(shí)間為5 h、以自升壓的方式進(jìn)行聚合。由圖1可知隨反應(yīng)溫度升高,產(chǎn)物的中間相含量增加,不同反應(yīng)溫度得到的生焦均以鑲嵌型和流域型中間相為主。溫度為420 ℃時(shí)產(chǎn)物偏光顯微照片主要呈細(xì)鑲嵌型結(jié)構(gòu),且含量較低;當(dāng)溫度升至430 ℃時(shí),偏光顯微照片中細(xì)鑲嵌型中間相含量增加;當(dāng)溫度升高至440 ℃,細(xì)鑲嵌型中間相含量繼續(xù)增加,同時(shí)出現(xiàn)了流線型結(jié)構(gòu)中間相;當(dāng)溫度升高至450 ℃時(shí),流線型中間相含量繼續(xù)增加,鑲嵌型結(jié)構(gòu)中間相含量減少[6-7]。

圖1 不同溫度下(420～450 ℃)聚合產(chǎn)物偏光顯微照片F(xiàn)ig.1 Polarized micrographs of poly-condensation products of coal tar pitch at different temperatures(420-450 ℃)

圖2(a)～2(d)分別為反應(yīng)時(shí)間為3、5、7和9 h的偏光顯微照片,控制反應(yīng)溫度為430 ℃、以自升壓的方式聚合。時(shí)間延長(zhǎng),熱縮聚反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,時(shí)間延長(zhǎng)中間相含量增加。可知聚合時(shí)間為3 h時(shí)中間相含量最低且主要以鑲嵌型中間相為主;隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至5 h,鑲嵌型中間相含量增加,出現(xiàn)了部分流線型中間相;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至7 h,流線型含量明顯增加;反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至9 h時(shí),出現(xiàn)了廣域流線型中間相。因此7 h是一個(gè)較適宜制備流線型生焦的反應(yīng)條件[8-9]。

圖2 不同時(shí)間下(3～9 h)聚合產(chǎn)物偏光顯微照片F(xiàn)ig.2 Polarized micrographs of poly-condensation products of coal tar pitch at different times(3-9 h)

圖3反應(yīng)壓力為0、1、2和3 MPa的偏光圖,控制反應(yīng)溫度440 ℃、反應(yīng)時(shí)間7 h。壓力增加會(huì)阻礙體系中小分子輕組分排出體系,即阻礙熱縮聚反應(yīng)的進(jìn)行。

圖3 不同壓力下(0～3 MPa)聚合產(chǎn)物偏光顯微照片F(xiàn)ig.3 Polarized micrographs of poly-condensation products of coal tar pitch at different pressures(0-3 MPa)

從偏光顯微照片可以看出整個(gè)過(guò)程產(chǎn)物已有焦化傾向,壓力為0時(shí)中間相含量最高,中間相結(jié)構(gòu)主要為廣域流線型結(jié)構(gòu),存在部分細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu);當(dāng)壓力增至1 MPa時(shí),中間相含量開(kāi)始降低,流線型中間相含量減少,鑲嵌型中間相含量增多;當(dāng)壓力增至2 MPa時(shí),中間相主要為細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu);當(dāng)反應(yīng)壓力為3 MPa時(shí),中間相結(jié)構(gòu)主要為細(xì)粒鑲嵌型結(jié)構(gòu)[10-12]。

2.3 聚合產(chǎn)物XRD圖譜分析

圖4為不同壓力下聚合產(chǎn)物的XRD譜圖,其中25°左右為(002)面的衍射峰,表示芳香層片的平行定向程度,44°左右的為(100)面的衍射峰,表示芳香片的大小。分析偏光圖發(fā)現(xiàn),產(chǎn)物均已焦化,無(wú)法判斷反應(yīng)程度,由XDR圖譜可知隨壓強(qiáng)的減小(002)峰強(qiáng)度增大、峰更尖銳,層面堆積高度更大,說(shuō)明反應(yīng)壓強(qiáng)越小產(chǎn)物的芳香層片的平行定向程度越高,有序化程序高。層面直徑與樣品的芳環(huán)度大小有關(guān),反應(yīng)壓強(qiáng)越小產(chǎn)物的層面直徑越大,表明其芳環(huán)度大,聚合程度高。這是由于該反應(yīng)為氣體生成反應(yīng),在壓強(qiáng)較小的情況下反應(yīng)促進(jìn)了正向縮聚反應(yīng)的進(jìn)行,聚合程度變高。

圖4 不同壓力下聚合產(chǎn)物XRD圖Fig.4 XRD patterns of poly-condensation products at different pressures

表4為根據(jù)布拉格方程計(jì)算出不同壓力下產(chǎn)物的微晶參數(shù),26°附近為C的002衍射峰。由表4可知,隨著壓力減小,樣品的002衍射峰呈向右偏移趨勢(shì)。 根據(jù)顆粒基本單元構(gòu)筑理論,隨壓力減小,熱縮聚反應(yīng)加劇,瀝青芳香分子不斷發(fā)生脫氫、斷鏈、縮合和聚合等反應(yīng),使芳香分子不斷長(zhǎng)大,芳香分子片層片面度逐漸增加,在大π—π鍵作用力下d002減小,Lc由于芳香片層分子的堆疊而增加。

表4 不同壓力下產(chǎn)物的微晶參數(shù)Table 4 Microcrystalline parameters of products at different pressures

2.4 聚合產(chǎn)物的炭化和石墨化及電化學(xué)性能

圖5(a)～5(d)分別為樣品在0、1、2和3 MPa下的聚合產(chǎn)物在1 000 ℃條件下炭化所得產(chǎn)物的偏光顯微照片。由偏光照片可知熱處理后的產(chǎn)物具有明顯的流線型纖維結(jié)構(gòu),這是由于炭化過(guò)程中逸出的小分子氣體會(huì)對(duì)大芳香片層起到類(lèi)似誘導(dǎo)取向的作用,在脫離聚合產(chǎn)物的過(guò)程中沿某一方向產(chǎn)生剪切力,從而起到拉焦的作用使熱處理后的針狀焦具有流線型的纖維結(jié)構(gòu)。

圖6為不同壓力下0和3 MPa的聚合產(chǎn)物在炭化溫度為1 200 ℃和1 000 ℃時(shí)的炭化產(chǎn)物XRD圖譜。由圖譜(100)峰中可以看出炭化過(guò)程中聚合產(chǎn)物進(jìn)一步聚合,使芳香片層尺寸進(jìn)一步增大,同時(shí)峰(002)的強(qiáng)度變大,形狀更加鋒利,說(shuō)明芳香層片的平行定向程度更好。炭化溫度越高變化越明顯,1 200 ℃時(shí)(100)峰比1 000 ℃大很多。

圖6 炭化產(chǎn)物的XRD圖Fig.6 XRD patterns of carbonization products

圖7為2 MPa條件下聚合產(chǎn)物石墨化后樣品的XRD圖譜,由圖譜中可知石墨化之后(002)峰強(qiáng)度變大,峰結(jié)構(gòu)更尖銳,說(shuō)明其石墨化度提高,出現(xiàn)了典型的(004)峰,說(shuō)明石墨微晶沿軸向尺寸增大,石墨結(jié)構(gòu)有序性增強(qiáng),整個(gè)石墨化過(guò)程伴隨含氧官能團(tuán)熱解以及石墨微晶的有序化過(guò)程[13]。

圖7 石墨化產(chǎn)物XRD圖Fig.7 XRD patterns of graphitization products

2.5 炭化產(chǎn)物電化學(xué)性能

圖8為0、1、2、3 MPa四種樣品1 000 ℃炭化后的充放電曲線圖。明顯看出2 MPa的嵌鋰容量最高,這是由于樣品2 MPa的結(jié)構(gòu)最為有序,聚合完成后相較其他3種樣品,其石墨晶體沿徑向與軸向均具有有序性,且三者均沒(méi)有明顯的充放電平臺(tái),這是由于這3種樣品石墨微晶總體處于亂堆狀態(tài)。4種樣品首次放電比容量分別為219、235、271、257 mAh/g,樣品2 MPa具有最高的首次放電容量,可能是2 MPa樣品相較于其他樣品的石墨微晶更具有規(guī)則,可嵌入更多鋰離子[14-15]。

圖8 炭化樣品的充放電曲線Fig.8 Charge-discharge curves of carbonized products

圖9為4種樣品的50次的循環(huán)曲線圖,由圖9可知樣品3 MPa所對(duì)應(yīng)的比容量最高,其首次放電比容為232 mAh/g,首次庫(kù)倫效率為89.2%,隨著壓強(qiáng)的減小即石墨晶體有序度的下降,最后所得負(fù)極材料的首次放電比容量與庫(kù)倫效率均有所減少,樣品0 MPa的首次放電比容量為205.2 mAh/g,庫(kù)倫效率減少至75.5%,不可逆容量增大,這是由于在充放電過(guò)程中由于鋰離子的嵌入會(huì)與含氧官能團(tuán)結(jié)合從而形成固體電解質(zhì)界面膜,同時(shí)這層界面膜在放電時(shí)不易分解因此表現(xiàn)為一定的不可逆容量。隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行,在高壓情況下聚合反應(yīng)更加充分,使產(chǎn)物的石墨晶粒具有徑向有序性,因此樣品3 MPa的庫(kù)倫效率最高。由圖9可知,4種樣品均沒(méi)有明顯的充放電平臺(tái),這是由于碳顆粒表面呈無(wú)規(guī)則形狀,有一定的棱角結(jié)構(gòu)且顆粒表面有一定的孔隙結(jié)構(gòu),在充放電過(guò)程中鋰離子易與含氧冠能團(tuán)結(jié)合形成界面膜,但形成的界面膜穩(wěn)定性較差,在充放電過(guò)程中較易分解,因此在對(duì)電池反復(fù)充放電過(guò)程中導(dǎo)致不穩(wěn)定的界面膜反復(fù)的形成與分解。

圖10為0、1、2、3 MPa四種樣品炭化后不同電流密度下的倍率性能,表5為不同電流密度下樣品放電比容量,可知隨著電流密度的增大3種樣品的比容量均出現(xiàn)了較大程度下降,在大電流放電過(guò)程中樣品3 MPa下降最劇烈,當(dāng)電流密度為50 mAh/g時(shí),其平均比容量為200.6 mAh/g,當(dāng)電流密度增至1 000 mAh/g時(shí),其平均比容量減小至8.8 mAh/g,降幅達(dá)96%。可以看出壓強(qiáng)越小降幅越小,樣品0 MPa時(shí)下降程度最小,當(dāng)電流密度為50 mAh/g時(shí),其平均比容量為147.4 mAh/g,當(dāng)電流密度增至1 000 mAh/g時(shí),其平均比容量為8.7 mAh/g,降幅為94%。經(jīng)大電流充放電后4種樣品的保持率分別為92.3%、93.0%、95.0%與92.4%[16-17]。

圖10 不同電流密度下的倍率性能Fig.10 Performance of different current densities

表5 不同電流密度下樣品放電比容量Table 5 Specific discharge capacity of samples at different current densities

2.6 石墨化產(chǎn)物電化學(xué)性能

圖11為炭化和石墨化樣品的充放電曲線,石墨化后的樣品嵌理電壓較低,在放電過(guò)程中,放電電壓在0.1 V左右時(shí)出現(xiàn)了明顯的放電平臺(tái),對(duì)應(yīng)電極反應(yīng)過(guò)程,當(dāng)比容量達(dá)到364 mAh/g時(shí)放電結(jié)束,充電過(guò)程中,當(dāng)充電電壓在0.1～0.2 V時(shí)出現(xiàn)了明顯的充電平臺(tái),意味著大量鋰離子從石墨層中脫出,且充放電平臺(tái)比較接近,說(shuō)明電池內(nèi)部極化程度較小。石墨化后的首次放電比容量為364 mAh/g,首次庫(kù)倫效率為86%。石墨化后樣品的庫(kù)倫效率相較未石墨化樣品的庫(kù)倫效率有所提升,這是由于石墨化過(guò)程中針狀焦石墨晶體表面的含氧官能團(tuán)發(fā)生了熱解反應(yīng),在充放電過(guò)程中由于鋰離子的嵌入不會(huì)與含氧官能團(tuán)大量結(jié)合從而形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜),消耗的鋰離子數(shù)量減少,從而降低了不可逆容量,使首次庫(kù)倫效率提升[18-20]。綜上,石墨微晶的有序程度與電化學(xué)性能正相關(guān)。

圖11 炭化和石墨化樣品的充放電曲線Fig.11 Charge-discharge curves of carbonized and graphitized products

2.6 石墨化產(chǎn)物電化學(xué)性能

圖12為2 MPa樣品及其石墨化后樣品(Graphitization)的20次的循環(huán)曲線。由圖12可知,石墨化后樣品Graphitization循環(huán)曲線的比容量明顯高于未石墨化樣品,這是由于石墨化后樣品擁有更好的層狀結(jié)構(gòu)使其能嵌入更多鋰離子,導(dǎo)致其比容量升高,且循環(huán)50次后比容量為331 mAh/g,保持率為98%,未石墨化的樣品經(jīng)50次循環(huán)后比容量為219 mAh/g,保持率為95%。同時(shí)石墨化之后樣品的平臺(tái)相較未石墨化的平緩,這是由于形成SEI膜的含氧官能團(tuán)在石墨化過(guò)程中裂解,使充放電過(guò)程中形成少量的SEI膜或形成的SEI膜比較穩(wěn)定。

圖12 炭化和石墨化樣品的循環(huán)性能曲線Fig.12 Cycle performances of carbonized and graphitized products

3 結(jié) 論

1)升高溫度會(huì)提升熱縮聚反應(yīng)的活性,隨著反應(yīng)溫度的提升,產(chǎn)物的中間相含量增加,不同反應(yīng)溫度得到的生焦均以鑲嵌型和流域型中間相為主。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力與反應(yīng)時(shí)間可控制聚合產(chǎn)物是否焦化,當(dāng)聚合產(chǎn)物焦化時(shí)其結(jié)構(gòu)為細(xì)粒或細(xì)粒與粗粒共存的鑲嵌結(jié)構(gòu);當(dāng)溫度為450 ℃時(shí),只要反應(yīng)時(shí)間超過(guò)3 h就會(huì)焦化;壓強(qiáng)越高越不利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行。

2)聚合產(chǎn)物炭化后芳香層片的有序性加強(qiáng),芳香層片也變大,1 200 ℃溫度炭化產(chǎn)物芳香層片的有序性與尺寸優(yōu)于炭化溫度為1 000 ℃時(shí)。

3)不同壓力下聚合產(chǎn)物1 000 ℃炭化后以2 MPa的充放電比容量最高,可能是2 MPa樣品相較于其他樣品的石墨微晶更規(guī)則,可嵌入更多的鋰離子;2 MPa樣品在倍率性能相較于其他樣品表現(xiàn)較好,但最后的循環(huán)保持率低于其他樣品,這可能是大電流充放電過(guò)程中對(duì)石墨層造成一定破壞所致。

4)石墨化后的2 MPa樣品循環(huán)50次后比容量為331 mAh/g,保持率為98%,較未石墨化樣品放電比容量大幅提升,并且具有穩(wěn)定的充放電平臺(tái),這是由于石墨化后樣品擁有了更好的層狀結(jié)構(gòu)使其能夠嵌入更多的鋰離子,導(dǎo)致其比容量升高。