鈉離子電池碳基負(fù)極材料研究.pdf

1、由于具有原材料資源豐富、價格低廉、比容量較高等特點，鈉離子電池被認(rèn)為是最適合大規(guī)模儲能的一種新型二次電池體系。與正極材料相比，鈉離子電池負(fù)極材料的研究相對滯后，開發(fā)具有高容量、長壽命和優(yōu)異倍率性能的負(fù)極材料是推動鈉離子電池獲得實際應(yīng)用的關(guān)鍵。本論文從層間距調(diào)控、雜原子摻雜、構(gòu)建納米/多孔結(jié)構(gòu)和與金屬氧化物復(fù)合等思路出發(fā)，制備了5種新型的碳基負(fù)極材料（包括氮摻雜硬碳/石墨烯復(fù)合材料、氮摻雜多孔硬碳材料、花狀介孔碳材料、生物質(zhì)基氮摻雜介孔碳

2、材料和Fe3O4量子點/石墨烯復(fù)合材料），研究了其電化學(xué)儲鈉性能，并對碳基負(fù)極材料的組成和結(jié)構(gòu)對其電化學(xué)性能的影響進(jìn)行了探索。
　　(1)在苯胺溶液中加入氧化石墨烯，經(jīng)過原位聚合、高溫?zé)峤庵苽淞巳髦谓Y(jié)構(gòu)氮摻雜碳/石墨烯(NCG)復(fù)合材料。由于具有大的層間距離(0.360 nm)和高的氮含量(7.54 at.％)，NCG在30 mA g-1電流密度下的可逆儲鈉容量達(dá)到336 mAh g-1。位于三明治結(jié)構(gòu)中的高導(dǎo)電性石墨烯夾層保證

3、了電子的快速傳遞，從而使NCG具有優(yōu)異的倍率性能，5 Ag-1電流密度下比容量還保持有94 mAh g-1。NCG還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在50 mA g-1的電流密度下循環(huán)200次后，容量保持率為89％。
　　(2)在苯胺溶液中加入納米CaCO3模板，經(jīng)過原位聚合、高溫碳化并用稀鹽酸除去模板，制備出聚苯胺基氮摻雜介孔碳材料。氮吸附測試表明其具有多孔結(jié)構(gòu)，XPS分析表明其氮含量高達(dá)7.78 at.％。聚苯胺基氮摻雜介孔碳材料在3

4、0 mA g-1電流密度下的首次可逆容量為338 mAh g-1，循環(huán)耐久性突出，500 mA g-1電流下循環(huán)800周后容量還可保持110.7 mAh g-1。
　　(3)以檸檬酸鋅為碳源，在惰性氣氛下高溫?zé)峤庵苽涑鼍哂懈弑缺砻婧桶l(fā)達(dá)介孔結(jié)構(gòu)的花狀碳材料。檸檬酸鋅高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的納米氧化鋅同時充當(dāng)了介孔模板，制備的碳材料BET比表面積和孔容分別達(dá)到1382 cm2g-1和2.02 cm3g-1。獨特的花狀結(jié)構(gòu)、發(fā)達(dá)的介孔和大的層間

5、距(0.42 nm)，賦予該碳材料超高的可逆容量和優(yōu)異的倍率性能。在30 mA g-1電流密度下的首次可逆容量高達(dá)438.5 mAh g-1，當(dāng)電流密度提高到10 A g-1，仍具有68.7 mAh g-1的放電比容量。
　　(4)以蝦皮為原料，將其高溫?zé)峤夂啽阒苽涑黾嬗懈叩亢桶l(fā)達(dá)介孔結(jié)構(gòu)的碳材料。蝦皮是由膠原蛋白和無機(jī)礦物質(zhì)組成的天然有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料，高溫?zé)峤膺^程中，膠原蛋白作為富氮的碳源轉(zhuǎn)化為富氮炭，均勻分散在其中的

6、納米無機(jī)礦物質(zhì)作為硬模板被洗去后留下豐富的介孔。隨熱解溫度升高，比表面和孔容呈增大的趨勢，氮含量減小。700℃制備的樣品兼有高的比表面（531 m2 g-1）和高的氮含量(7.26at％)，表現(xiàn)出突出的電化學(xué)儲鈉性能。在30 mA g-1電流密度下的可逆鈉存儲容量高達(dá)434.6 mAh g-1，循環(huán)和倍率性能優(yōu)異。以天然納米復(fù)合材料為原料制備高性能鈉離子電池負(fù)極材料，方法簡單，成本低廉，變廢為寶，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
　　(5)

7、采用水熱法制備了Fe3O4量子點與三維石墨烯（3D-0D Fe3O4/石墨烯）的復(fù)合材料。Fe3O4量子點的平均尺寸為4.9 nm，鑲嵌在石墨烯的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。Fe3O4量子點具有高的電化學(xué)活性，充放電過程中體積變化較小，3D石墨烯一方面可抑制Fe3O4納米粒子的團(tuán)聚及其在充電放電過程中的體積變化，另一方面可構(gòu)建電子傳導(dǎo)和離子遷移的快速通道。因此，3D-0D Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料表現(xiàn)出了超高的儲鈉容量（30 mA g-1電流