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《河南师范大学》 2018年
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生物质衍生碳及异质原子掺杂多孔碳的可控制备及储钠性能研究

韩瑞敏  
【摘要】:锂离子电池具有能量密度大、体积小和无污染等优点,占据了便携式电子产品的主要市场。但是,随着锂离子电池的大规模应用,锂资源面对着严重短缺的问题。与锂同一主族的钠具有资源丰富、价格低廉等特点,二者的物理化学性质相似,钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理,然而,钠离子的半径比锂离子大很多,因此,适合于锂离子脱嵌的材料并不适用于钠离子的脱嵌。寻找合适的电极材料是当前钠离子电池的研究热点,负极材料作为电池的重要组成部分,其性能很大程度上决定了电池的性能。碳材料资源丰富,可以说是最具有应用前景的钠离子电池负极材料之一。其主要存在比容量低和首次库伦效率低等问题,阻碍了其实际应用。设计多孔结构和杂原子掺杂是提高其储钠性能的有效方法。本论文主要围绕碳材料的制备与改性,通过引入模板和杂原子掺杂,制备出电化学性能优异的钠离子电池碳负极材料,探讨碳材料形貌、结构和组分与电化学性能的内在联系和规律。主要研究内容如下:1.以生物质梧桐果为前驱体,将梧桐果剥离开,分别得到丝状物和棒状物,并在氮气气氛下煅烧,制备出片状结构的硬碳材料,表现出较好的电化学储钠性能。在电流密度为0.2 A g~(-1)时,丝状物和棒状物衍生的硬碳材料比容量分别为240 mA h g~(-1)和190 mA h g~(-1),首次库伦效率分别是61%和67%。不仅有助于解决能源危机,而且可以减少生物质废弃物。2.利用可再生生物质明胶作为碳源和氮源,磷酸作为磷源,聚苯乙烯纳米球(PS)作为模板来制备N/P共掺杂多孔碳。在电流密度是0.2 A g~(-1)时,比容量为230 mA h g~(-1),当电流密度高达10 A g~(-1)时,其比容量仍高达113 mA h g~(-1)。多孔结构和N/P共掺杂的协同效应有助于储钠性能的提高。总的来说,N和P共掺杂多孔碳是一种有应用前景的钠离子电池负极材料。同样,这种方法也可以用于制备其它类型的杂原子掺杂(单掺杂,双掺杂和多掺杂)多孔碳材料,并应用于储能领域。3.以蔗糖为碳源,磷酸为磷源,PS为模板,采用一步合成法制备出磷掺杂多孔碳。通过调控烧结温度控制材料的形貌和结构。研究发现,800?C下所制备的材料具有非常均匀的孔状结构。在电流密度为0.2 A g~(-1)时,比容量为270 mA h g~(-1),在10 A g~(-1)的大电流密度下,比容量仍高达140 mA h g~(-1)。一方面,均匀的三维多孔骨架结构能够为钠离子的扩散提供足够的空间,另一方面,磷掺杂可以增大碳材料的层间距,建立良好的导电网,进而提高材料的电化学储钠性能。这一研究为进一步发展高容量长寿命的碳基钠离子电池负极材料开辟了一个新的方法。
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ127.11;TB383.4

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