隨著霧霾、溫室效應(yīng)等環(huán)境惡化問(wèn)題的日益加劇,世界各國(guó)迫切需要轉(zhuǎn)變當(dāng)前以化石燃料為主的能源消耗方式。鋰離子電池作為新能源儲(chǔ)能器件應(yīng)用及研究方向的熱點(diǎn),負(fù)極材料是決定其性能的關(guān)鍵部件之一。目前的負(fù)極材料以碳材料為主,但比容量低、倍率性能差的缺點(diǎn),制約了其作為清潔能源進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。采用氮原子對(duì)碳材料進(jìn)行摻雜,能夠有效提高碳材料的導(dǎo)電性和表面活性,改善碳材料的電化學(xué)性能。目前常用的摻雜方法存在氮源難以有效利用、摻雜濃度低等缺陷。本課題為改善這些缺點(diǎn),研究了新型的摻雜工藝,利用密閉系統(tǒng),在高溫下實(shí)現(xiàn)碳材料中氮元素的摻雜,有效防止了氮元素的流失,提高了氮摻雜濃度。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:使用氮、碳元素比達(dá)到1:4,并且低毒、易分解的吡咯作為前驅(qū)體,在密閉腔體中制備氮摻雜碳材料。研究了反應(yīng)溫度、前驅(qū)體量、保溫時(shí)間對(duì)所制備氮摻雜碳材料形貌、結(jié)構(gòu)、氮摻雜濃度和摻雜狀態(tài)的影響。結(jié)果表明,隨著反應(yīng)溫度的升高,材料由不規(guī)則的顆粒變?yōu)榫哂辛己眯蚊驳那驙钐疾牧?氮摻雜濃度雖然逐漸降低到4.56%,但依然處于一個(gè)比較好的摻雜水平。隨著前驅(qū)體量的增加,材料由無(wú)序的粉末狀變?yōu)榫哂辛己眯蚊驳那驙铑w粒,同時(shí),氮摻雜濃... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

摻雜氮原子在碳骨架中的存在形式

度可以使周圍的碳原子被活化，強(qiáng)化電子在電極材料內(nèi)部的輸運(yùn)，使游離解液中的離子更易受到吸附，所以，雙電層濃度會(huì)得到增強(qiáng)，雙電層電容得到一定程度的提高[26]。另一方面，氮元素的摻雜還能提高碳材料的潤(rùn)濕親水性極化位點(diǎn)會(huì)因摻雜的氮元素而提高，從而使電化學(xué)反應(yīng)時(shí)電解液和材料能夠充分潤(rùn)濕、接觸，提高有效的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，同時(shí)，電解液離材料內(nèi)部孔洞中的擴(kuò)散阻力也會(huì)減小，兩種作用共同作用，從而使材料比得到提高[27]。Seredych 與其團(tuán)隊(duì)[28]，使用一種含有硫、氮的前驅(qū)體，成產(chǎn)出一種硫、氮共摻雜的納米尺度的多孔碳，并發(fā)現(xiàn)其有部分石墨化現(xiàn)象過(guò)測(cè)試，其比容量高達(dá) 450 F g-1，盡管其比表面積與其他研究者所開發(fā)的接近的材料相比并不突出，經(jīng)過(guò)測(cè)試只達(dá)到了 850 m2g-1。其所給出的性異的解釋是，硫、氮元素的摻雜在碳材料表面引入了大量活性官能團(tuán)，在其表面潤(rùn)濕性方面發(fā)揮了重要作用，從而讓電解液中的離子更易于和電極發(fā)生有效接觸，使孔隙表面的活性點(diǎn)位增加，因此在比表面積較小的情況提高了有效比表面積，獲得了較大的比容量。

離子只能插入在石墨層間相間的位置，即形成 LiC6，所以，可以據(jù)此算出，理想石墨晶體的理論容量即等于 372 mAh g-1。同時(shí)，原本 0.335 nm 的石墨層間距，也會(huì)因鋰離子的插入擴(kuò)展至 0.370 nm[32]。然而，后期研究者在研究熱解碳、硬碳等無(wú)定型碳材料時(shí)，獲得的的比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 372 mAh g-1，典型的鋰離子插層機(jī)理顯然已不再適用。于是，分子貯鋰機(jī)理、微孔貯鋰機(jī)理和石墨亂層吸附機(jī)理等模型被逐漸提出并接受。Sato 及其研究小組[33]認(rèn)為，除了在石墨層間存在著鋰離子插層外，插入碳材料中的鋰離子還會(huì)形成“鋰分子”，貯存在石墨層間，如圖 1-4 b)，使其容量值大于理論值。Menachem 及其研究小組[34]認(rèn)為，在缺陷比較多的孔洞型碳材料中，鋰離子還會(huì)形成團(tuán)簇，儲(chǔ)蓄在碳材料的微孔中，如圖 1-4 c)，嵌入時(shí)，石墨層間的插鋰和碳材料中微孔對(duì)鋰離子簇的吸附幾乎同時(shí)進(jìn)行，而脫嵌時(shí)，鋰離子會(huì)優(yōu)先從石墨層間脫出，然后再?gòu)奈⒖字忻摳�，其稱這種過(guò)程為鋰離子微孔貯存機(jī)理。Wang 及其研究小組[35]提出了石墨亂層吸附模型，指出，在缺陷很多的碳材料中，亂層的石墨層中，每層石墨兩側(cè)均可吸附鋰離子，而石墨層間的微孔也會(huì)同時(shí)吸附鋰離子簇，如圖 1-4 d)，使其比容量超過(guò)理想石墨晶體的理論比容量。a) b)


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