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應(yīng)用筆記丨使用N2和CO2吸附等溫線綜合分析微孔硬碳負(fù)極

美國麥克儀器 2023-08-10 | 閱讀：4381

隨著鋰電負(fù)極的不斷研發(fā)和鈉離子電池的持續(xù)發(fā)展,，負(fù)極材料的微孔化和硬碳負(fù)極材料都受到越來越多的關(guān)注。

增加負(fù)極碳材料的微孔率,，可以提高其比表面積,，用以沉積更多的硅原子，以制備高比容量的硅-碳負(fù)極材料,。而對于鈉電負(fù)極,，硬碳是目前的首選材料。微孔碳基負(fù)極材料的綜合孔徑分布是鋰電研發(fā)生產(chǎn)中備受關(guān)注的眾多指標(biāo)之一,，本文將介紹使用Micromeritics物理吸附儀綜合分析微孔硬碳負(fù)極的具體細(xì)節(jié)。

Micromeritics Tristar II Plus 物理吸附儀

多孔碳基負(fù)極材料制備所需的碳源可以有很多種,，如煤衍生碳,、瀝青衍生碳、多糖衍生碳以及生物質(zhì)衍生碳等,。特別的,，像利用生物質(zhì)，如果殼,、皮,、秸稈、稻殼等經(jīng)高溫碳化及結(jié)構(gòu)重整來制備多層級微孔負(fù)極材料是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的路徑,，符合我國的資源回收利用政策,。

為了響應(yīng)客戶的需求，Micromeritics公司利用二氧化碳探針分子測試碳基微孔材料的優(yōu)勢,，結(jié)合氮氣吸附等溫線,，利用先進(jìn)的HS-2D-NLDFT模型，可以得到微孔碳基負(fù)極材料的綜合孔徑分布,。

我們將某生物質(zhì)衍生硬碳負(fù)極材料通過Tristar II Plus物理吸附儀常規(guī)版分別測試,，得到了其N2和CO2的吸附等溫線，見下圖：

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圖1：生物質(zhì)衍生微孔硬碳負(fù)極N2吸附等溫線

圖1顯示的是典型Ib型吸附等溫線,，說明此材料中有微孔和一些2-3nm小介孔,。總體的吸附量也較大,，材料也有著較高的孔內(nèi)表面積,。由于單單基于N2吸附可能無法表征完全微孔的孔徑分布，此時可以再做一個273K下的CO2吸附等溫線,，見圖2,。

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圖2：生物質(zhì)衍生微孔硬碳負(fù)極CO2吸附等溫線

由于在273K下,，CO2的飽和蒸汽壓較高，所以相對壓力一般只能達(dá)到0.03,。也正是由于CO2在此溫度下有較高的飽和蒸汽壓,，可以較快地擴散到碳基微孔中，以縮短測試時間,。另外,，CO2作為吸附探針分子，可以在較高的相對壓力下,，給出相對于N2更小的微孔信息,，所以非常適合用于碳基微孔材料的孔徑分布表征。

現(xiàn)在,，結(jié)合麥克軟件中的NLDFT Advanced PSD模塊,，我們就可以得到完整的微孔至大孔區(qū)域的孔徑分布，見圖3,。

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圖3：生物質(zhì)衍生微孔硬碳負(fù)極的N2和CO2綜合孔徑分布

圖3中綠色曲線是孔徑分布曲線,，峰頂對應(yīng)的孔徑稱為最可幾孔徑。紅色的曲線對應(yīng)的是累計孔體積曲線,?？梢钥吹酱瞬牧现饕缓∮?nm的微孔，并含有一些2-3nm的小介孔,。通過Tristar II Plus 得到的N2和CO2吸附等溫線以及NLDFT模型的計算結(jié)果,，此材料的孔內(nèi)累計比表面積達(dá)到了1571 m2/g。

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圖4：生物質(zhì)衍生微孔硬碳負(fù)極的總孔體積和孔內(nèi)比表面

此生物質(zhì)衍生硬碳負(fù)極材料的孔內(nèi)比表面積很大,，可以用來制備高硅含量硅-碳負(fù)極,，大大提高負(fù)極的比容量，同時合成材料可為廢棄的生物質(zhì),，這樣又可以進(jìn)一步降低高比容量負(fù)極材料的成本,，得到高性價比的鋰電/鈉電負(fù)極。

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圖5：等溫線實驗點和理論吸附等溫線的吻合度

此外,，在NLDFT Advanced PSD模塊中,，還顯示了根據(jù)NLDFT模型計算的理論吸附等溫線（黑色實線）和N2吸附等溫線實驗點（綠點）以及CO2吸附等溫線實驗點（紅點）的吻合度，見圖5,。我們用最新的HS-2D-NLDFT模型計算了N2吸附等溫線,，用NLDFT-CO2@273K, Carbon模型計算了273K下的理論CO2吸附等溫線。綜合的孔徑分布正是基于這兩條理論吸附等溫線計算而來,。

隨著鋰電,，鈉電產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級和發(fā)展，Micromeritics一直在緊緊跟隨其產(chǎn)業(yè)的前沿研究領(lǐng)域,，不斷地開發(fā)新的,、更高級的分析模型和軟件應(yīng)用模塊,，以適用于制造生產(chǎn)及學(xué)術(shù)界對于不斷開發(fā)的新材料的表征需求，為中國的鋰電,、鈉電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展助力護(hù)航,。

關(guān)于我們

Micromeritics 是提供表征顆粒、粉體和多孔材料的物理性能,、化學(xué)活性和流動性的全球高性能設(shè)備生產(chǎn)商,。我們能夠提供一系列行業(yè)前沿的技術(shù)，包括比重密度法,、吸附,、動態(tài)化學(xué)吸附、壓汞技術(shù),、粉末流變技術(shù),、催化劑活性檢測和粒徑測定。

公司在美國,、英國和西班牙均設(shè)立了研發(fā)和生產(chǎn)基地,，并在美洲、歐洲和亞洲設(shè)有直銷和服務(wù)業(yè)務(wù),。Micromeritics 的產(chǎn)品是全球具有創(chuàng)新力的知名企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)機構(gòu)旗下 10,000 多個實驗室的優(yōu)選儀器,。我們擁有世界級的科學(xué)家隊伍和響應(yīng)迅速的支持團(tuán)隊,，他們能夠?qū)?Micromeritics 技術(shù)應(yīng)用于各種要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中，助力客戶取得成功,。