新型碳納米復(fù)合材料的構(gòu)筑及其鋰空氣和鈉離子電池性能研究.pdf

1、隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)和新型可再生能源技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的鋰離子電池作為主要的能量載體已不敷使用，亟需發(fā)展高能量密度的鋰空氣電池和低成本并且適合大規(guī)模使用的鈉離子電池。開(kāi)發(fā)先進(jìn)的新型二次電池關(guān)鍵在于構(gòu)筑綜合性能優(yōu)異的電極材料，以凸顯新型化學(xué)儲(chǔ)能的本征優(yōu)勢(shì)。針對(duì)這一問(wèn)題，本論文圍繞高性能鋰空氣和鈉離子電池關(guān)鍵電極材料的設(shè)計(jì)構(gòu)筑這一主題，以改善電極材料的質(zhì)量傳遞、電子傳輸、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和催化活性為目標(biāo)，采用新穎的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的制備技術(shù)，構(gòu)筑多尺

2、度多層次的碳基微納米材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極材料的組分、形貌、孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)以及導(dǎo)電性能的優(yōu)化，進(jìn)而提升電池的電化學(xué)性能。論文工作具體內(nèi)容如下:
　　以氧化石墨烯為基本組元，采用模板輔助水熱還原自組裝的策略，制備了納米籠鑲嵌的氮摻雜石墨烯氣凝膠(NPGA)。納米籠的引入加快了石墨烯氣凝膠骨架內(nèi)氧氣和電解液傳輸，并增加了三相反應(yīng)界面，進(jìn)而提高了電極的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。作為鋰空氣電池的正極材料，NPGA呈現(xiàn)出超高的比容量(10081mA

3、 h g-1)和倍率性能（在3.2Ag-1時(shí)，比容量可達(dá)5978mA h g-1）。基于碳和Li2O2的質(zhì)量，NPGA-O2//Li鋰空氣電池在1300W kg-1的功率密度下，能量密度高達(dá)2400W h kg-1。
　　以碳納米管和羥基氧化錳納米線為基本結(jié)構(gòu)單元，采用真空抽濾組裝輔以原子層沉積的方法，構(gòu)筑了貫通多孔和高導(dǎo)電性的復(fù)合薄膜，并實(shí)現(xiàn)了極少量氧化釕（2.84wt％）納米顆粒的均勻負(fù)載(Mn3O4/CNTs-RuO2)。體

4、相結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)表征表明，RuO2與基底之間存在較強(qiáng)的相互作用，調(diào)諧了RuO2的電子狀態(tài)，使得LiO2的裂解反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面，而不是電解液中，進(jìn)而形成了易分解的超薄納米片型放電產(chǎn)物。Mn3O4/CNTs-RuO2復(fù)合膜作為鋰空氣電池正極材料，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，循環(huán)可達(dá)251圈，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1700h。
　　以TiO2納米管簇為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，利用鉬酸銨與多巴胺的絡(luò)合作用以及多巴胺的原位自聚合特性，制備了超細(xì)MoO2納米顆粒鑲嵌

5、的核殼納米棒TiO2@MoO2-C。其中，超細(xì)MoO2納米顆粒有效地縮短了離子的擴(kuò)散距離;電纜芯TiO2納米管簇提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。作為鈉離子電池的負(fù)極材料，TiO2@MoO2-C在20A g-1的大電流密度下可保持76mA h g-1的比容量，并在10A g-1的電流密度下可以循環(huán)10000圈。電化學(xué)定性與定量分析發(fā)現(xiàn)，TiO2@MoO2-C電極較高的贗電容貢獻(xiàn)是其實(shí)現(xiàn)高的倍率性能的一個(gè)重要原因。
　　以靜電紡絲碳纖維為導(dǎo)電

6、基底，聚乙烯吡咯烷酮為輔助劑，采用一步水熱輔以高溫處理的方法，制備了超大層間距(1.34nm)MoS2與碳纖維的復(fù)合材料。其中，碳纖維基底促進(jìn)了電子傳輸，超大層間距的MoS2減小了鈉離子插層和在其層間擴(kuò)散的阻力。作為鈉離子電池負(fù)極材料，這種復(fù)合材料在20A g-1的電流密度下可保持104mAhg-1的比容量，實(shí)現(xiàn)一次完全充電僅需18.7s，在10A g-1的電流密度下可以循環(huán)3000圈。
　　以氧化石墨烯為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，利用原位絡(luò)合