一维掺杂型碳纳米材料的设计制备及其储钠性能研究

摘要

碳基材料由于来源广泛、价格便宜、稳定性好等优势被广泛作为钠离子电池负极材料，其中掺杂型碳纳米材料被人们寄予厚望来提高储钠性能。其原因在于碳纳米材料的比表面积大从而增加电解液的接触面积，同时可以缩短Na+的传输距离;杂原子的掺杂可以形成一些缺陷从而增大碳材料的储钠活性位点。因此，杂原子掺杂的碳纳米材料有望表现出高的比容量、好的循环稳定性和优越的倍率性能，从而满足钠离子储能电池的需求。
　　本论文利用模板法、静电纺丝法结合随后的高温碳化制备了一系列掺杂型碳基纳米材料。由于独特的结构特点和组分优势，这些纳米材料作为钠离子负极材料时表现出高的循环稳定性和优异的倍率性能。本论文的主要研究工作如下:
　　(1)以FeOOH为模板，通过化学氧化法包覆一层PPy及后续的去模板、高温热还原制备了氮掺杂的碳纳米管。相比于PPy纳米管，氮掺杂的碳纳米管表现出较好的储钠性能。在电流密度100 mA g-1下，充放电循环250圈之后可以保持248.5 mAh g-1的高的可逆比容量。
　　(2)以苯基膦酸为P源，聚丙烯腈(PAN)为N、C源，通过静电纺丝及随后的高温碳化制备了杂原子N、P共掺杂的自支撑碳纳米纤维。同时探究了苯基膦酸的添加量对储钠性能的研究，发现当其添加量为100 mg，制备的掺杂型碳材料的储钠性能最佳，倍率性能优于苯基膦酸掺杂量为0，50和150 mg的碳材料。在100 mA g-1循环200圈后，比容量保持220 mAh g-1。
　　(3)利用静电纺丝法及随后的高温碳化制备了原位掺杂Ni的自支撑碳纳米纤维极片，相比于PAN-C、Ni-20-C和Ni-100-C，Ni-40-C储钠性能最佳。在100mA g-1的电流密度下，充放电循环500圈后，容量可以保持在250.7 mA h g-1。甚至在大电流1Ag-1下，依然保持优越的循环稳定性，充放电循环500圈后，其容量为200.6 mAh g-1。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 钠离子电池简介

1．2．1 钠离子电池的发展

1．2．2 钠离子电池基本结构和工作原理

1．3 钠离子电池负极材料研究进展

1．3．1 碳基负极材料

1．3．2 合金类负极材料

1．3．3 过渡金属氧化物负极材料

1．3．4 其它负极材

1．4 碳纳米材料的在钠离子电池中的研究和发展

1．4．1 纳米多孔碳材料

1．4．2 一维碳纳米材料

1．4．3 二维类石墨烯碳纳米材料

1．5 本论文选题依据和研究意义

参考文献

第2章 模板法制备氮掺杂的碳纳米管及储钠性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 氮掺杂的碳纳米管的制备

2．2．3 氮掺杂的碳纳米管的表征方法

2．2．4 氮掺杂的碳纳米管的电化学性能测试

2．3 实验结果和讨论

2．3．1 氮掺杂碳纳米管的表征及形成机制

2．3．2 氮掺杂的碳纳米管的储钠性能研究

2．4 小结

参考文献

第3章 N／P共掺杂的自支撑碳纳米纤维的制备及其储钠性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 N／P共掺杂的自支撑碳纳米纤维的制备

3．2．3 N／P共掺杂的自支撑碳纳米纤维的表征方法

3．2．4 N／P掺杂的自支撑碳纳米纤维的电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 N／P掺杂的自支撑碳纳米纤维的表征及形成机制分析

3．3．2 N／P共掺杂自支撑碳纳米纤维的储钠性能研究

3．4 小结

参考文献

第4章 静电纺丝制备原位Ni掺杂的碳纳米纤维及其储钠性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 原位Ni掺杂自支撑碳纳米纤维的制备

4．2．3 原位Ni掺杂的自支撑碳纳米纤维的表征方法

4．2．4 原位Ni掺杂的自支撑碳纳米纤维的电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 原位Ni掺杂自支撑碳纳米纤维的表征及形成机制分析

4．3．2 原位Ni掺杂自支撑碳纳米纤维的储钠性能研究

4．4 小结

参考文献

第5章 总结

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢