隨著化石能源的不斷消耗,人們將更多的目光投在新能源領域。碳基材料因為其化學穩(wěn)定性高、導電性能好、價格低廉、來源廣泛等優(yōu)點被廣泛的應用鋰離子電池負極材料、鈉離子電池負極材料以及超級電容器電極材料等能量儲存領域。本論文通過丁二酮肟與二水合醋酸鋅的直接固相反應,制備出氮摻雜的分級多孔碳納米材料,該制備方法簡便、節(jié)能、對環(huán)境友好,具有一定的普適性;所制備的碳材料具有獨特的組分與結構,使其在鋰離子電池及超級電容器的應用中表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性能。主要工作總結如下:(1)采用丁二酮肟和二水合醋酸鋅為原料,通過直接低熱固相反應法制備出前驅體,對該前驅體進行后續(xù)碳化等處理后可進一步制備氮摻雜的碳納米材料這一目標產(chǎn)物。(2)通過兩步法,即碳化熱處理(900℃以下)及隨后的酸刻蝕,將前驅體進一步轉化為氮摻雜的多孔碳納米材料(表示為NC-T-x,其中NC表示氮摻雜的碳,T為熱處理前驅體的溫度,x為制備丁二酮肟鋅是所用的丁二酮肟與二水合醋酸鋅的物質(zhì)的量之比)。電化學性能測試表明,NC-800-2材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性能:當其作為鋰離子電池負極材料時,在100 mAg-1的電流密度下,充放電循環(huán)了 50圈以后,仍可放出高達700 mAh g-1的可逆容量,這遠遠高于商業(yè)化石墨的理論比容量(372mAhg-1);當其作為超級電容器的電極材料時,在1000mAg-1的電流密度下,比電容為134 Fg-1,高于商業(yè)化活性炭材料。(3)通過一步法,即高溫(900℃以上)熱處理,將前驅體進一步轉化為氮摻雜的多孔碳納米材料。電化學性能測試表明,NC-900-2材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學儲鋰性能:使用其作為鋰離子電池負極材料時,在100mAg-1的電流密度下,充放電循環(huán)了 100圈以后,仍可放出高達500mAhg-1的可逆容量,高于商業(yè)化石墨的理論比容量。使用其作為超級電容器電極材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的超級電容器電極性能:在500 mA g-1的電流密度下,比電容為112 Fg-1,同樣高于商業(yè)化活性炭材料。
【學位單位】：南京師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TQ127.11;TB383.1
【部分圖文】：

圖ｌ．ｌ鋰離子電池工作原理示意圖??鋰離子電池的工作原理類似于“搖椅”，對于正極采用鈷酸鋰、負極采用石??墨的鋰離子電池的機理如圖１．１所示。正極與負極之間是電解質(zhì)溶液，中間用隔??膜隔開。在對鋰離子電池進行充電的時候，鋰離子從正極脫嵌進經(jīng)過電解質(zhì)溶液??入負極當中；放電過程與之相反，鋰離子從負極當中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)溶液嵌入??正極。在整個充放電過程中，通過鋰離子在正極與負極之間的脫出與嵌入，儲存??了電化學能％??以最典型的鋰離子電池為例，涉及的電化學反應如下所示：??正極：?ＬｉＣｏ〇２?＜?＞？?Ｌｉｉ－ｘＣｏ〇２?＋?ｘＬｉ＋?＋?ｘｅ＇??負極：?６Ｃ?＋?ｘＬｉ＋?＋?ｘｅ－?■＜?＞■?ＬｉｘＣ６??總反應：ＬｉＣｏ〇２＋６Ｃ?＜－－．?Ｌｉｉ－ｘＣｏ〇２?＋?ＬｉｘＣ６??４??

Ｙａｎｇ等人通過熱解蔗糖，制備出具有不同孔徑的多孔結構硬碳作為鋰離子??電池負極材料，探討了多孔結構對充放電性能及鋰離子傳輸過程中的擴散動力學??的影響［１３］（如圖１．３所示）。他們以蔗糖作為碳源，通過溶膠－凝膠模板法合成兩個??典型的多孔碳（ＰＣ－１和ＰＣ－２），將未使用模板的相同碳源制備無模板的硬碳縮寫??為ＨＣ作為對比。通過掃描電鏡圖，可以清楚地看到ＰＣ－１、ＰＣ－２具有疏松的層??狀多孔結構。在對其電化學性能測試中發(fā)現(xiàn)，層狀多孔碳在０．２?Ｃ的電流密度下??具有５０３．５?ｍＡｈ?ｇ－１的容量，即使在５?Ｃ的電流密度下，依然具有３３２．８?ｍＡｈ?ｇ－１??的容量。研宄表明，納米多孔結構的硬碳有利于增強其電化學性能。??二氧化鈦也是一種熱門的嵌入／脫嵌型鋰離子負極材料，適合于大批量的生??產(chǎn)，在１．５Ｖ的工作電壓下顯示出了優(yōu)異的安全性和穩(wěn)定性。并且，二氧化鈦??的電活性高

（ｃ）不同電流密度下二氧化鈦的電勢容量圖，（ｄ）在４００°Ｃ下鍛燒的二氧化鈦的倍??率性能圖??圖１．４是以銳鈦礦型的二氧化鈦為負極材料在鋰離子半電池中進行得性能測??試。該材料通過尿素輔助水熱法制備，在不同溫度下鍛燒得到的材料進行對比測??試Ｍ。從圖１．４ａ可以看出，在不同溫度下煅燒得到的二氧化鈦材料的初始充電／??放電時電壓特性：４００°Ｃ下煅燒得到的介孔二氧化鈦充電容量為１６４?ｍＡｈ?ｇ－１，循??環(huán)８０圈后仍有１５４?ｍＡｈ?ｇ－１的容量，容量保持率高達９５％；?５００°Ｃ下煅燒的二氧??化鈦比容量有所下降�？赡茉蚴牵S著溫度升高，顆粒大小會增大，不利于其??儲能。不同電流密度下的電壓特性圖及倍率圖都顯示出了良好的性能。??（２）合金／脫合金化材料??硅材料因為極高的理論比容量及在地球豐富的儲量，有希望成為鋰離子電池??碳負極材料的替代者。硅材料在鋰離子電池負極中的儲鋰機制屬于合金／脫合金??化機制，在鋰化和脫鋰期間，硅的體積變化非常大，這直接使得其循環(huán)壽命很短，??影響其商業(yè)應用Ｍ。目前研究的熱點是將硅材料與其他材料復合
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相關期刊論文 前6條

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本文編號：2844116