新型活性組分-石墨化介孔碳復(fù)合材料的制備及其在能源環(huán)境中的應(yīng)用.pdf

1、鋰離子電池作為諸多化學(xué)能源之一，與其他二次電池相比，具有能量密度高，開路電壓高，循環(huán)壽命長，無記憶效應(yīng)，環(huán)境友好等優(yōu)點，已成為當今世界極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途G色高能化學(xué)電源。負極材料是決定鋰離子電池性能的重要因素之一，而傳統(tǒng)的碳基負極材料存在能量密度低和倍率性能不佳的固有缺陷，因此開發(fā)新型廉價高效的的鋰離子電池負極材料對推動新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。錫、鈦、硅、鐵等元素及其氧化物是高比容量的新型負極活性組分，但錫和硅等元素及其氧化物在

2、充放電過程中存在材料體積變化大，循環(huán)壽命不佳等缺陷，鈦元素及其氧化物存在導(dǎo)電性差等缺陷，從而阻礙了這些活性組分在鋰離子電池負極材料中的應(yīng)用。研究表明，采用合適的多孔骨架材料與其形成“鋼筋混凝土”的結(jié)構(gòu)，能夠有效的緩解活性組分的體積膨脹等問題。石墨化介孔碳材料是一種具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性和電子導(dǎo)電性的新型碳骨架材料，本文采用簡便有效的方法將錫、鈦等新型活性組分以納米顆粒的方式固載在石墨化介孔碳骨架上，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，深入研究

3、了其復(fù)合材料的電化學(xué)性能，開發(fā)出具有實用價值的新型活性組分摻雜的石墨化有序介孔碳鋰離子電池負極材料。
　　本文采用簡單地固液球磨/模板法，以有序介孔氧化硅SBA-15為模板，以植物油為碳源，一步合成具有新型結(jié)構(gòu)—金屬錫納米晶體嵌入在石墨介孔碳壁上的Sn-GMC納米復(fù)合材料?？疾炝诉@種新型Sn-GMC納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能。XRD、TEM、N2吸脫附分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)金屬Sn納米晶體的含量較高，晶粒尺寸大約為3-5nm，均勻的

4、分散在導(dǎo)電性良好的石墨碳壁上，并且Sn-GMC納米復(fù)合材料具有中等的比表面積（223.9 m2/g），較大的孔容(0.611 cm3/g)和多級孔的有序二維六邊形介孔結(jié)構(gòu);電化學(xué)測試結(jié)果表明，這種新型的結(jié)構(gòu)使得Sn-GMC納米復(fù)合材料作為鋰離子電池負極材料時，表現(xiàn)出較高的首次庫倫效率和較好的循環(huán)性能以及倍率性能。
　　本文采用一步納米共澆鑄法制備了不同鈦含量的TiO2-GC納米復(fù)合材料，研究了不同含量的鈦元素對材料結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)性

5、能的影響，XRD、TEM以及BET測試結(jié)果表明，銳鈦礦型的TiO2納米顆粒均勻的分散在石墨化介孔碳基質(zhì)中，并且這種TiO2-GC納米復(fù)合材料具有良好的比表面積(110.28～528.95 m2/g)和較大的孔容（0.063～0.351 cm3/g），有利于充放電過程中鋰離子的擴散;電化學(xué)測試結(jié)果表明，20TiO2-GC納米復(fù)合材料相比于其他比例的復(fù)合材料以及石墨碳材料，具有更好的循環(huán)性能和可逆性，其初始容量高達1076 mAh/g，經(jīng)過

6、50次循環(huán)后，放電容量仍保持在326 mAh/g。
　　鋰離子電池中含有鈷、銅、鎘和錳等重金屬元素，這些元素對環(huán)境和人類的健康有巨大的危害，因次，解決鋰離子電池生產(chǎn)過程中或報廢后可能造成的重金屬離子污染具有重要的意義。本文以硝酸鐵為鐵源，豆油為碳源，采用一步納米共澆鑄法制備了不同含量的磁性Fe@γ-Fe2O3/GC納米復(fù)合材料，用于對Cu2+和Co2+離子的吸附。XRD、TEM、BET以及磁性分析等測試結(jié)果表明，磁性Fe@γ-Fe