【摘 要】
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高比表面积、稳定物化特性、合成成本低的碳材料一直是锂离子电池或钠离子电池的常用电极材料,目前常见的碳材料有石墨、碳纳米管、石墨烯、多孔碳等。石墨比表面积很低,发挥
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高比表面积、稳定物化特性、合成成本低的碳材料一直是锂离子电池或钠离子电池的常用电极材料,目前常见的碳材料有石墨、碳纳米管、石墨烯、多孔碳等。石墨比表面积很低,发挥不出更高的容量;碳纳米管的容量受内壁利用不足而得到限制;石墨烯制备繁杂且加工易发生扭曲结块。多孔碳作为一种高附加值含碳产品,不仅在锂电和钠电上扮演重要角色,更是在分离吸附、催化和储氢领域发挥着作用。目前制备多孔材料的方法很多,但是从长远发展角度出发,开发一种工艺简单、原料丰富的新方法显得格外重要。针对上述问题,本文通过电解还原熔融碳酸盐制备多孔碳材料,探究了熔盐温度对多孔碳形貌以及在钠离子电池性能的影响。在多孔碳基础上进一步引进过渡金属氧化物,明显提升了锂离子电池的容量。主要研究内容及结果如下:1、第三章采用无毒无害的碳酸盐(Li2CO3、Na2CO3、K2CO3)为碳源,电解还原熔融碳酸盐制备了多孔碳材料。通过XRD、BET和SEM分析发现,熔融盐的温度对多孔碳材料的比表面积和形貌有很大的影响。其中在500 oC下电解制备的类似银耳状多孔碳展现出了微/介/大孔的分级结构以及较高的比表面积(691.77 m2 g-1)。这种独特的结构在钠离子电池负极材料中有以下几点优势:微/介孔能缩短离子传输距离,大孔可以提供钠离子储存位点;同时较高的比表面积既能提高界面反应面积也能吸附大量钠离子。因此,这种银耳状多孔碳展现出了优异的钠电性能,在0.05 A g-1电流密度下,循环100次后放电容量为240m Ah g-1;当电流密度增加到5.0 A g-1时,经过1000次循环后容量仍然维持在108 m Ah g-1。理论计算显示,银耳状多孔碳的超高储钠容量归因于电容储钠行为。2、在第三章制备条件基础上,通过改变电解电极材料首次一步合成了Ni-Ni O/C纳米复合材料。该方法结合了电解还原碳酸盐和牺牲阳极反应,获得了一种Ni-Ni O纳米颗粒原位填充于电解碳形成具有互联结构的复合材料,Ni金属相的存在可以进一步增加材料的导电性以及在电池转化反应时的补充相,多孔碳可以增加电容储锂同时又可以减缓Ni O的体积膨胀。结合上述优势以及这种原位合成方法,Ni-Ni O/C纳米展现出了优异的电化学性能,在1 A g-1电流密度下,循环1500次后放电容量为455 m Ah g-1,库伦效率接近100%,其优异的储锂性能得益于原位形成的纳米结构,本研究为新型复合材料的制备提供了一条独特的途径。
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