新型二維碳基納米片復(fù)合材料的可控合成及儲(chǔ)鋰-鈉性能研究.pdf

1、鋰離子二次電池具有能量密度高、工作電壓高、安全可靠、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已成為最具潛能的能量存儲(chǔ)裝置。但隨著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，鋰的有限資源限制其發(fā)展。由于鈉地球豐度較高，鈉離子電池也被認(rèn)為是鋰離子電池最有潛力的替代品。電池的壽命和能量密度等性能主要由其電極材料決定，所以開(kāi)發(fā)高性能的電極材料已成為電池研究的關(guān)鍵因素。在負(fù)極材料方面，碳材料被認(rèn)為是最有前景商業(yè)化的材料之一，碳材料的結(jié)構(gòu)和形貌是影響其電化學(xué)性能的主要因素。但是目前商業(yè)化鋰離

2、子電池負(fù)極材料為石墨碳材料，其理論比容量較低(372 mAh g-1)和倍率性能差，不能滿足高能量和高功率設(shè)備發(fā)展的需要，迫切要求開(kāi)展高容量碳負(fù)極材料的探索和研究。新型碳材料與其復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和研究，是提高鋰/鈉離子電池負(fù)極材料儲(chǔ)鋰/鈉性能的趨勢(shì)。目前已報(bào)道的新型碳材料有零維、一維、二維、三維以及其多維度多結(jié)構(gòu)復(fù)合型，其復(fù)合方式有碳包覆、碳混合、碳負(fù)載等方式。但為開(kāi)發(fā)高性能鋰/鈉離子電池，需充分發(fā)揮碳材料與其他納米儲(chǔ)鋰/鈉材料的協(xié)同優(yōu)勢(shì)

3、。本論文以新型二維碳納米片與過(guò)渡金屬儲(chǔ)鋰納米材料的復(fù)合材料為立足點(diǎn)，旨在探索合成一系列嵌入式過(guò)渡金屬納米顆粒和碳納米片復(fù)合材料并且探索各種碳納米片復(fù)合物對(duì)儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鈉的影響。二維碳納米片復(fù)合材料結(jié)合了碳納米材料的導(dǎo)電和緩沖作用特性和過(guò)渡金屬高儲(chǔ)鋰容量的性質(zhì)，與傳統(tǒng)碳材料相比，具有更好的電荷傳輸能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，二維碳納米片復(fù)合材料有望表現(xiàn)出高的比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率特性，從而滿足鋰/鈉離子動(dòng)力電池的需求。
　　本

4、論文利用惰性鹽(KCl、NaCl)為硬模板和穩(wěn)定劑，以葡萄糖、氨基酸為碳氮源，過(guò)渡金屬鹽為金屬源，通過(guò)高溫?zé)峤庠O(shè)計(jì)制備了一系列二維碳納米片復(fù)合材料。由于獨(dú)特的組成和結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，這些二維碳納米片復(fù)合材料均表現(xiàn)出了高的比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率特性。本論文的主要工作如下:
　　(1)我們利用惰性鹽NaCl為硬模板和穩(wěn)定劑，以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，Ni(NO3)2過(guò)渡金屬鹽為金屬源，通過(guò)高溫?zé)峤夂铣汕禢i納米顆粒

5、的碳納米片。相較于純碳納米片，嵌Ni納米顆粒的碳納米片表現(xiàn)出了良好的儲(chǔ)鋰性能。例如，在100 mAg-1的充放電電流密度下經(jīng)過(guò)100次循環(huán)，嵌Ni納米顆粒可逆比容量保持在740 mAhg-1，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨碳的理論容量(372 mAh g-1);也有良好的倍率性能，甚至在1000mAg-1的充放電電流密度下可逆容量仍然保持在410 mAh g-1。
　　(2)我們利用惰性鹽KCl為硬模板和穩(wěn)定劑，以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，

6、Co(NO3)2過(guò)渡金屬為金屬源，通過(guò)研磨-溶解-結(jié)晶工藝并結(jié)合二步高溫?zé)峤夥ê铣汕禖o3O4顆粒的碳納米片。與純的碳納米片和裸Co3O4相比表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能。例如，在100 mAg-1的充放電電流密度下經(jīng)過(guò)100次循環(huán)，嵌Co3O4納米顆粒的碳納米片可逆比容量保持在861.5 mAh g-1，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純的碳納米片和裸Co3O4的可逆比容量;同時(shí)也具有良好的倍率性能，甚至在1000 mA g-1的充放電電流密度下

7、可逆容量仍然保持在415.7 mAh g-1。
　　(3)我們利用惰性鹽KCl為硬模板和穩(wěn)定劑，以脯氨酸(C5H9NO2)為碳氮源，F(xiàn)e(acac)3過(guò)渡金屬鹽為金屬源，通過(guò)研磨-溶解-結(jié)晶工藝并結(jié)合二步高溫?zé)峤夥ê炅恐苽浞€(wěn)定洋蔥狀Fe3C-Fe2O3納米顆粒嵌入式氮摻雜碳納米片，作為鋰離子電池負(fù)極材料，該氮摻雜碳納米片表現(xiàn)出了高的可逆容量、優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和高的倍率特性。例如，在0.01-3.0V電壓區(qū)間和100 mA g-1的

8、電流密度下，經(jīng)100個(gè)循環(huán)后該材料仍有高達(dá)861.3 mAh g-1的放電比容量;從第5圈到100圈，庫(kù)倫效率已達(dá)到99％。
　　(4)我們利用惰性鹽NaCl為硬模板和穩(wěn)定劑，以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，Ni(NO3)2過(guò)渡金屬為金屬源，通過(guò)高溫?zé)峤夂铣汕禢i納米顆粒的碳納米片，經(jīng)過(guò)后期酸處理制得多孔碳納米片。該材料應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能和顯著的倍率性能。在100 mA·g-1的電流密度下，經(jīng)過(guò)200圈循環(huán)