新型二维碳基纳米片复合材料的可控合成及储锂/钠性能研究

摘要

锂离子二次电池具有能量密度高、工作电压高、安全可靠、环境友好等优点，已成为最具潜能的能量存储装置。但随着锂离子电池的大规模应用，锂的有限资源限制其发展。由于钠地球丰度较高，钠离子电池也被认为是锂离子电池最有潜力的替代品。电池的寿命和能量密度等性能主要由其电极材料决定，所以开发高性能的电极材料已成为电池研究的关键因素。在负极材料方面，碳材料被认为是最有前景商业化的材料之一，碳材料的结构和形貌是影响其电化学性能的主要因素。但是目前商业化锂离子电池负极材料为石墨碳材料，其理论比容量较低(372 mAh g-1)和倍率性能差，不能满足高能量和高功率设备发展的需要，迫切要求开展高容量碳负极材料的探索和研究。新型碳材料与其复合材料的开发和研究，是提高锂/钠离子电池负极材料储锂/钠性能的趋势。目前已报道的新型碳材料有零维、一维、二维、三维以及其多维度多结构复合型，其复合方式有碳包覆、碳混合、碳负载等方式。但为开发高性能锂/钠离子电池，需充分发挥碳材料与其他纳米储锂/钠材料的协同优势。本论文以新型二维碳纳米片与过渡金属储锂纳米材料的复合材料为立足点，旨在探索合成一系列嵌入式过渡金属纳米颗粒和碳纳米片复合材料并且探索各种碳纳米片复合物对储锂和储钠的影响。二维碳纳米片复合材料结合了碳纳米材料的导电和缓冲作用特性和过渡金属高储锂容量的性质，与传统碳材料相比，具有更好的电荷传输能力和结构稳定性。因此，二维碳纳米片复合材料有望表现出高的比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率特性，从而满足锂/钠离子动力电池的需求。
　　本论文利用惰性盐(KCl、NaCl)为硬模板和稳定剂，以葡萄糖、氨基酸为碳氮源，过渡金属盐为金属源，通过高温热解设计制备了一系列二维碳纳米片复合材料。由于独特的组成和结构的协同作用，这些二维碳纳米片复合材料均表现出了高的比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率特性。本论文的主要工作如下:
　　(1)我们利用惰性盐NaCl为硬模板和稳定剂，以葡萄糖(C6H12O6)为碳源，Ni(NO3)2过渡金属盐为金属源，通过高温热解合成嵌Ni纳米颗粒的碳纳米片。相较于纯碳纳米片，嵌Ni纳米颗粒的碳纳米片表现出了良好的储锂性能。例如，在100 mAg-1的充放电电流密度下经过100次循环，嵌Ni纳米颗粒可逆比容量保持在740 mAhg-1，这远远高于石墨碳的理论容量(372 mAh g-1);也有良好的倍率性能，甚至在1000mAg-1的充放电电流密度下可逆容量仍然保持在410 mAh g-1。
　　(2)我们利用惰性盐KCl为硬模板和稳定剂，以葡萄糖(C6H12O6)为碳源，Co(NO3)2过渡金属为金属源，通过研磨-溶解-结晶工艺并结合二步高温热解法合成嵌Co3O4颗粒的碳纳米片。与纯的碳纳米片和裸Co3O4相比表现出良好的循环稳定性和优异的倍率性能。例如，在100 mAg-1的充放电电流密度下经过100次循环，嵌Co3O4纳米颗粒的碳纳米片可逆比容量保持在861.5 mAh g-1，这远远高于纯的碳纳米片和裸Co3O4的可逆比容量;同时也具有良好的倍率性能，甚至在1000 mA g-1的充放电电流密度下可逆容量仍然保持在415.7 mAh g-1。
　　(3)我们利用惰性盐KCl为硬模板和稳定剂，以脯氨酸(C5H9NO2)为碳氮源，Fe(acac)3过渡金属盐为金属源，通过研磨-溶解-结晶工艺并结合二步高温热解法宏量制备稳定洋葱状Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片，作为锂离子电池负极材料，该氮掺杂碳纳米片表现出了高的可逆容量、优越的循环稳定性和高的倍率特性。例如，在0.01-3.0V电压区间和100 mA g-1的电流密度下，经100个循环后该材料仍有高达861.3 mAh g-1的放电比容量;从第5圈到100圈，库伦效率已达到99％。
　　(4)我们利用惰性盐NaCl为硬模板和稳定剂，以葡萄糖(C6H12O6)为碳源，Ni(NO3)2过渡金属为金属源，通过高温热解合成嵌Ni纳米颗粒的碳纳米片，经过后期酸处理制得多孔碳纳米片。该材料应用于钠离子电池负极表现出良好的循环性能和显著的倍率性能。在100 mA·g-1的电流密度下，经过200圈循环仍然可以维持到309.4mA·g-1比容量，甚至在1000 mA·g-1的大电流冲击下，依然可达到173.5 mAh·g-1的比容量。因此，该将材料作为钠离子电池负极材料有一定的应用前景.

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的简介

1．2．1 锂离子电池的发展历史

1．2．2 锂离子电池的基本结构和工作原理

1．2．3 锂离子电池的应用和实践

1．3 锂离子电池负极材料研究进展

1．3．1 碳基负极材料

1．3．2 过渡金属氧化物负极材料

1．3．3 锡基负极材料

1．3．4 硅基负极材料

1．3．5 其它负极材料

1．4 钠离子电池概述

1．5 新型二维碳材料作为锂／钠离子电池负极材料的研究进展

1．5．1 二维碳纳米片材料

1．5．2 二维碳纳米片复合材料

1．6 本论文的选题依据及研究意义

第2章 纳米Ni嵌入型石墨化碳纳米片的制备及其在锂离子电池中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 嵌Ni二维碳纳米片的制备和处理

2．2．3 嵌Ni二维碳纳米的表征方法

2．2．4 嵌Ni二维碳纳米片的电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 嵌Ni二维碳纳米片形成示意图及其形貌和结构表征

2．3．2 嵌Ni二维碳纳米片的储锂性能研究

2．4 小结

第3章 嵌入式纳米Co3O4负载型碳纳米片的制备及其储锂性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 嵌入活性Co3O4纳米颗粒二维碳纳米片的制备

3．2．3 嵌入活性Co3O4纳米颗粒二维碳纳米片的表征方法

3．2．4 嵌入活性Co3O4纳米颗粒二维碳纳米片电极的制备

3．2．5 电池的组装与电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 嵌入活性Co3O4纳米颗粒二维碳纳米片的表征及形成机制分析

3．3．2 嵌入活性Co3O4纳米颗粒二维碳纳米片的储锂性能研究

3．4 小结

第4章 脯氨酸辅助原位合成洋葱状碳包裹Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片的制备及储锂性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 脯氨酸辅助原位合成洋葱状碳包裹Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片的制备

4．2．3 脯氨酸辅助原位合成洋葱状碳包裹Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片的表征方法

4．2．4 脯氨酸辅助原位合成洋葱状碳包裹Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片电极的制备

4．2．5 电池的组装与电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 脯氨酸辅助原位合成洋葱状碳包裹Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片的表征及形成机制的分析

4．3．2 脯氨酸辅助原位合成洋葱状碳包裹Fe3C-Fe2O3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片的储锂性能研究

4．4 小结

第5章 多孔碳纳米片的合成及在钠离子电池中的应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂

5．2．2 多孔碳纳米片的制备

5．2．3 多孔碳纳米片的表征方法

5．2．4 电极的制备

5．2．5 电池的组装与电化学性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 多孔碳纳米片的表征及形成机制的分析

5．3．2 多孔碳纳米片的储钠性能研究

5．4 小结

第6章 总结

参考文献

攻读硕士学位期间已发表的成果

致谢