多孔碳材料的可控合成及其锂离子电池应用

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:myth_liu
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近年来,多孔碳材料由于其独特的结构、良好的导电性以及稳定性使其在能源存储、催化、吸附分离以及生物医用等领域的应用越来越广泛,尤其是作为负极材料用于锂离子电池。传统石墨材料的低理论容量(372mA h/g)已不能满足日益增长的能源需求,开发具有更高比容量的新锂电材料迫在眉睫。在过去的几十年间,关于多孔碳材料用于锂离子电池的基础应用研究越来越多。目前人们多采用硬模板法制备各种用于锂离子电池的多孔碳材料。然而,这些已报道的方法通过涉及较为复杂繁琐的合成路线,而且多孔碳材料用于锂离子电池的电化学性能有待进一步提高。基于这些问题,本论文发展了一系列简单的合成策略来制备多碳基负极材料用于锂离子电池。实现了多孔碳材料的结构/组分精确调控,摸索提高锂离子电池性能的重要因素,为推动其进一步应用打下坚实的理论基础,主要内容包括以下三个方面:  (1)采用简单的界面溶胶-凝胶法,通过调控正硅酸乙酯/盐酸多巴胺(TEOS/DAH)的质量比,得到不同形貌/结构的氮掺杂多孔碳纳米球。通过研究结构/形貌与电化学性能之间的关系优化锂离子电池的电化学性能。结果表明,当DAH/TEOS质量比为1∶3(0.2g/0.6g)时所制得的具有空心结构的多孔碳在0.1A/g的电流密度下循环100次,其放电比容量仍高达729.6mA h/g。  (2)在上述工作的基础上,使用聚苯乙烯-b-聚丙烯酸(PS-b-PAA)作为模板剂,发展了一种新颖的“软模板”法成功合成一种氮掺杂的双壳层空心介孔碳球(N-DHMCSs)。结果表明,样品的氮掺杂量或石墨化程度可以通过改变碳化温度进行调节。进一步通过探究碳化温度及孔结构对样品电化学性能的影响,我们发现:相比于700℃和900℃,800℃碳化所得样品(N-DHMCSs-800)具有最高的比容量,即在0.1A/g的电流密度下循环100次后,其比容量仍可达920.3mA h/g。  (3)针对氧化铁基负极材料存在的容量低、循环稳定性差等问题,基于上述制备双壳层多孔碳材料的有效方法,我们发展了一种简单的“共组装”法合成用于锂离子负极材料的氮掺杂多孔C/Fe3O4复合颗粒。通过调节Fe3O4包载量、碳化温度以及TEOS用量等实验参数,实现了多孔C/Fe3O4复合颗粒的尺寸、形貌/结构调控,并探究了这些参数对锂离子电池电化学性能的影响。研究表明:包载25mg Fe3O4、600℃碳化及采用0.45g TEOS所制得样品具有最佳的电化学性能,即在0.5A/g的电流密度下循环100次后,其比容量仍保持837.8mA h/g。
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