自支撑硬碳负极材料的制备及其储钠性能研究

摘要

硬碳材料由于其良好的结构稳定性和较高的容量，被认为是实际应用中最有希望的钠离子电池负极材料之一。硬碳材料通常含有大量具有缺陷和空隙的无序结构，这有助于提高其可逆容量，然而过多的无序结构会阻碍电子的传输和传导，导致其倍率性能差强人意。一种有效的方法是利用过渡金属镍做催化剂使硬碳材料石墨化提高其导电性，改善倍率性能。杂原子掺杂是另一个提高硬碳材料电化学性能的有效策略。本论文主要内容是通过金属泡沫镍的催化石墨化来提高硬碳电极的导电性和利用氮原子掺杂增加钠离子活性位点，以实现倍率性能和可逆容量的提升。 （1）以葡萄糖作为碳源，泡沫镍做支撑体，通过简单的水热和随后热处理方法得到自支撑硬碳负极材料(HC/NF-1，HC/NF-2和HC/NF-3)并直接用在钠离子电池中。所得HC/NF-2样品中碳球的直径为~700nm，经过镍催化后产生褶皱层状石墨碳，由厚度为30nm，约84层单层石墨组成。HC/NF-2显示出优异的电化学性能。在电流密度为0.1A·g-1下经过100次循环后具有285.6mAh·g-1的高可逆容量，具有出色的倍率性能(容量为107.1mAh·g-1，5.0A·g-1)。在1.0A·g-1的相对较高的电流密度下，经过1000次循环后保持可逆容量为166.2mAh·g-1，库伦效率超过99％。 （2）利用三聚氰胺作为氮源引入氮原子，制备得到氮掺杂的硬碳自支撑材料(NC/NF)。NC/NF作为钠离子电池自支撑负极时具有高可逆容量(347.5mAh·g-1，0.1A·g-1)，相比未掺杂的HC/NF容量提升34%，NC/NF(126.2mAh·g-1)中低于0.1V的平台容量几乎是HC/NF(30.1mAh·g-1)的4.2倍。同时，其具有超长循环耐久性(循环1000圈后217.1mAh·g-1，电流密度为1.0A·g-1)。优异的电化学性能可归因于扩大的层间距(0.384nm)和氮掺杂带来的大量缺陷位点的协同作用。 （3）当碳化温度逐渐升高时，氮的掺杂量逐渐降低，在800℃时的产物NC/NF-800中为4.37%。NC/NF-800最终表现出优异的电化学性性能，分别在0.1A·g-1，0.5A·g-1，1.0A·g-1，和5.0A·g-1的电流密度下提供340.5mAh·g-1，253.7mAh·g-1，202.1mAh·g-1和90.5mAh·g-1的可逆容量。随着碳化温度增加，NC/NF-x样品的结构有序性逐渐增加的同时缺陷减少，导致扩大的石墨层间距更加稳定，钠离子更容易插入石墨层使得平台容量逐渐增加而斜坡容量下降。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 钠离子电池概述

1.3 钠离子电池负极材料简介

1.4 钠离子电池碳负极材料研究进展

1.5 硬碳材料的储钠机理

1.6 论文的选题依据、主要内容及创新点

2 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验仪器

2.3 材料表征方法

2.4 自支撑电极片的制备与电池的组装

2.5 电化学性能测试

3 自支撑硬碳负极材料的制备及其储钠性能研究

3.1 引言

3.2 实验流程

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 氮掺杂自支撑硬碳负极材料的制备及其储钠性能研究

4.1 引言

4.2 实验流程

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 碳化温度对氮掺杂自支撑硬碳负极材料结构和储钠性能的影响

5.1 引言

5.2 实验流程

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利成果

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