【摘要】 将实验过程制作的样品使用蔡司Crossbeam 340扫描电子显微镜分析仪用于捕获扫描电子显微镜（SEM）图像。

锂离子电池由于其优异的储能特性，在移动通信、信息技术、消费电子和移动汽车领域有着广泛的应用。随着人类社会的进步和发展，对先进的锂离子电池提出了更高的容量、更好的倍率性能和更长的使用寿命的要求。为了开发新型高性能碳阳极材料，在Xianfa Rao等人[1]的工作中采用聚丙烯氰化物在1050℃煅烧制备了一种新型有机碳材料聚丙烯腈（PAN）硬质碳。其材料合成方案如图1所示。

 

图1 PAN硬质碳的制备及半电池和全电池的组装工艺

 

将实验过程制作的样品使用蔡司Crossbeam 340扫描电子显微镜分析仪用于捕获扫描电子显微镜（SEM）图像。TEM图像通过FEI-Tecnai G2F20透射电子显微镜获得。图2显示了PAN硬质碳和石墨样品的SEM和TEM图像。从图2a中可以看出，石墨样品由10–15µm的相对规则的块状颗粒组成，这些颗粒是通过堆叠多个石墨片形成的。

 

而对于PAN硬质碳样品，它由形状极不规则的颗粒组成，颗粒尺寸分布在5至30µm之间（图2b）。这种极不规则的形态是由于PAN硬质碳块在高温碳化后的机械研磨。在不同的碳化温度下，PAN硬质碳的表面形态差异不大，并且随着碳化温度的升高，所产生的硬质碳颗粒表面粘附的小颗粒较少，颗粒的均匀性较好，这将更有助于电化学性能。相应地，规则的石墨颗粒显示出清晰明显的晶格条纹。晶格间距为0.335nm（图2c）。

 

然而，如图2d所示，不规则的PAN硬碳显示出模糊和弯曲的晶格条纹，间距约为0.363nm。结果表明，石墨颗粒为高结晶度的层状结构，而PAN硬质碳为低结晶度的无定形结构，是一种混合结晶和无序结构的碳材料，这与中讨论的XRD衍射峰分析数据非常一致。

 

图2(a)石墨样品的SEM图像,(b)PAN硬质碳的SEM图像,(c)石墨样品的TEM图像,(d) PAN硬质碳的TEM图像

 

将所得PAN硬质碳用作锂离子电池的负极材料，其初始容量为343.5 mAh g‑1，与石墨电极（348.6 mAh g‑1）的初始容量相等，初始库仑效率比石墨电极（84.4%）高87.9%。此外，PAN硬质碳电极在不同的电流速率下表现出优异的循环稳定性和速率性能。循环后的容量和容量保持率明显高于石墨电极，表明PAN硬质碳电极表现出优异的倍率性能，这将为开发新型高性能负极材料提供新的思路。

 

[1] Rao X, Lou Y, Chen J, Lu H, Cheng B, Wang W, Fang H, Li H and Zhong S (2020) Polyacrylonitrile Hard Carbon as Anode of High Rate Capability for Lithium Ion Batteries. Front. Energy Res. 8:3. doi: 10.3389/fenrg.2020.00003.

 

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