钠离子电池生物质碳阳极制备、改性及电化学性能研究

摘要

锂离子电池技术在商业化已取得巨大成功，但考虑到大规模应用，如电网和电动汽车等相关的发展，以及锂源不平衡地理分布和成本较高问题，锂离子电池面临较大挑战。基于资源丰富、成本低廉的钠离子电池，有望成为下一代储能设备。由于具有较高的钠离子存储容量和较低的存储电势，硬碳材料引起研究者的广泛关注。生物质由于分布广泛，收集容易，成本廉价且易于加工，是合成硬碳材料的优异碳源。本文拟从生物质来源、碳基材料制备及改性和全电池应用等方面入手，利用玉米秸秆（玉米秸秆外皮和内芯两种）和小麦秸秆为碳源，经高温碳化合成硬碳材料。将其用作钠离子电池负极材料，通过物理表征和电化学测试，研究了生物质种类和成分、碳化条件以及碳材料微结构对钠离子存储的影响，具体研究内容如下：
　　（1）钠离子半径较大，需要较大的碳层间距来满足其脱嵌过程。通过设计高温碳化及化学膨化相结合的合成方法，扩大碳层间距及表面部分功能化，合成了三种硬碳材料。利用SEM、HRTEM、XRD、Raman光谱及BET表征，研究了碳材料的形貌及微观结构。结果表明，碳材料保留了天然蜂巢状的横截面和空心管状阵列的纵截面结构，并产生了丰富的大孔和微孔。三种材料的(002)碳晶面间距，均大于石墨的0.335 nm。电化学测试表明，较高温度碳化（1200°C对比900°C）的材料表现出优异的钠离子存储性能，包括较低的不可逆容量损失，较高的循环稳定容量和倍率性能。其中玉米秸秆外皮为碳源合成的材料（CRCS-1200）其电化学性能最优。电化学测试显示，在0.25 C(1C=200 mA g-1)下，循环200圈后CRCS-1200表现出231 mAh g-1稳定的可逆容量，在1 C下循环300圈后表现出144 mAh g-1的容量；在大倍率15 C下，循环2000圈后表现出46 mAh g-1稳定的可逆容量。oC
　　（2）采用玉米秸秆外皮作为碳源，通过水热预碳化处理，结合高温碳化与化学法膨化处理，以乙二胺为氮源制备氮掺杂碳材料（HCRN）。利用SEM、TEM、XRD、Raman及XPS表征，研究了材料的形貌、微结构，获得了7.4％的氮掺杂含量。微观结构表明，HCRN为微米碳球兼部分碳片，这都有利于钠离子和电解质扩散。电化学测试显示，在0.25 C下，循环200圈后CRN表现出269 mAh g-1稳定的可逆容量（1C=200 mA g-1）；在1 C下，循环500圈后表现出215 mAh g-1稳定的可逆容量，接着在大倍率25 C下超长寿命循环3000圈后仍表现出108 mAh g-1稳定的可逆容量，同时，HCRN表现出优秀的倍率性能。以上结果显示氮掺杂碳材料后，电池的储钠性能有显著提高。
　　（3）以廉价的磷酸二氢铵为氮、磷源，采用一步水热法合成了N、P元素双掺杂的碳材料（CRNP），以提高碳基材料的离子及电子传输效率，提高电池的容量。通过SEM、TEM、XRD、BET及XPS等表征，研究了CRNP的形貌及微结构。CRNP微观结构表明其由碳片组成。电化学测试显示，在0.25 C下，循环100圈后CRNP表现出276 mAh g-1稳定的可逆容量，接着在1 C下循环200圈后仍表现出201 mAh g-1的放电比容量；另外，材料表现出更加优秀的倍率性能，且在5 C下接着循环至2000圈后表现出128 mAh g-1的放电比容量。
　　（4）以CRNP为负极，C@NaCrO2为正极材料，构筑钠离子全电池，研究了其综合性能。电化学测试表明，在50 mA g-1的电流密度下表现出64.2 mAh g-1稳定的可逆容量，同时获得119.84 W h kg-1的能量密度。这显示了较好的CRNP材料在钠离子全电池中具有潜在的应用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 钠离子电池简介

1.2 钠离子电池构造及其工作原理

1.3钠离子电池的特点

1.4 钠离子电池负极材料

1.5 生物质碳材料在钠离子电池领域的应用

1.6 本论文的立题依据和研究内容

2.1 实验试剂与实验仪器

2.2 材料表征方法

2.3 材料电化学性能测试

第三章 生物质碳材料的制备及其储钠性能

3.1前言

3.2 实验部分

3. 3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 氮掺杂生物质碳的制备及储钠性能

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 N, P-共掺杂生物质碳片的制备及其储钠性能

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章C@NaCrO2正极与CRNP负极构筑的全电池性能研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文