定向碳纳米管三维结构复合材料的制备及其储锂性能研究

发布时间：2018-04-02 21:30

本文选题：掺氮定向碳纳米管　切入点：氧化镍　出处：《湖南大学》2015年博士论文

【摘要】：锂离子电池凭借能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无污染、无记忆效应等突出优点,成为新一代绿色环保电池。截止目前,锂离子电池已被广泛应用于各种便携式电子器件,正逐步推广应用于电动汽车和混合动力汽车中。但受比容量、倍率性能的限制,现有商用锂离子电池的性能,已经无法满足当前社会对它的高容量高倍率性能的需求。因此,研究者开展了改善锂离子电池性能的研究。碳纳米管以其优越的力学、光学、电学和化学性能成为物理、化学和材料科学研究的热点。碳纳米管本身所具备的较大比表面积和优越导电性,使其在众多领域表现出很高的潜在应用价值。对于储氢和储锂为基础的能源科学而言,碳纳米管在吸附、催化和储能等方面表现出的应用价值,使其成为较理想的电极基体材料。在本论文中,控制合成了掺氮定向碳纳米管,并以此为框架,分别与氧化镍、二硫化锡以及硫复合形成三维结构复合材料,并考察其作为锂离子电池和锂硫电池电极材料的储锂性能,主要研究内容如下:采用浮动催化法热解不同浓度的二甲苯/环己胺混合碳源,通过调整碳源中二甲苯和环己胺的比例,制备出具有不同结构、形貌,以及不同氮含量的碳纳米管阵列。在分析氮掺杂量对碳纳米管阵列结构形貌影响的基础上,实现了掺氮定向碳纳米管(NACNTs)阵列的可控制备,并考察了氮掺杂量对NACNTs阵列储锂性能的影响。结果表明环己胺含量为35%时制备的NACNTs定向性好、管径大、放电比容量最高。通过喷雾法制备NACNTs/NiO复合材料,研究了喷雾时间对产物的影响。实验结果表明:随着喷雾时间延长,NACNTs表面沉积的NiO颗粒数目逐渐增多,直至NiO颗粒在NACNTs表面出现团聚。此外,还考察了不同NACNTs含对量复合材料的储锂性能的影响。研究显示:当NACNTs的含量为31.9%时,NACNTs/NiO电极所产生协同效应使其表现出极好的电化学性能。具体表现在较高的放电比容量(0.1 C倍率下,7次循环之后,放电比容量保持在620 mAh g~(-1))、良好的循环稳定性(0.5 C倍率下,50次循环之后,比容量为600 mAh g~(-1))以及较好的倍率性能(2 C倍率下,比容量保持率为55.8%)。通过简单的水热法制备纯SnS_2、CNTs-SnS_2复合材料,采用喷雾法制备NACNTs-SnS_2复合材料,比较了不同CNTs含量对复合材料结构和形貌的影响。电化学性能测试表明:相比于CNTs-SnS_2复合材料和SnS_2,NACNTs-SnS_2复合材料在放电比容量及循环稳定性等方面均有较大提高。同时,尝试探讨了NACNTs对SnS_2储锂性能改善的原因。研究表明:当NACNTs的含量为32.8%时,NACNTs-SnS_2电极所产生的协同效应使其表现出极好的电化学性能。具体表现在:(50 mA g~(-1)的电流密度下,第7次循环样品NACNTs-SnS_2-20的放电比容量为645mAh g~(-1)),更好地循环稳定性能(在100 mA g~(-1)的电流密度下,充放电50次,NACNTs-SnS_2-20的放电比容量为551 mAh g~(-1))以及更优的倍率性能(在1000 mA g~(-1)的电流密度下,NACNTs-SnS_2-20放电比容量和容量保持率为别为287 mAh g~(-1)和44.5%)。采用KOH活化刻蚀NACNTs管壁,打开其内腔,通过调整KOH/NACNTs比值,制备出一系列分级多孔掺氮定向碳纳米管阵列(HPNACNTs)。研究表明当KOH/NACNTs=5时,所制备的HPNACNTs具有最大的比表面和孔容,分别为292.2m~2g~(-1)和0.37cm~3g~(-1)。以这一系列分级多孔HPNACNTs为导电载体,采用熔融浸渍法制备出HPNACNTs/S复合材料。并在此基础上考察了硫负载量对材料电化学性能的影响。结果表明当KOH/NACNTs=5,硫负载量为68%时复合材料表现出较高的比容量(0.1 C倍率下,首次放电比容量高达1340 mAh g~(-1)),良好的循环稳定性(0.2 C倍率下200次循环之后放电容量仍有979 mAh g~(-1)),以及很好的倍率性能(5 C倍率下比容量为817 mAh g~(-1))。
[Abstract]:In this paper , the effect of nitrogen doping on the properties of lithium - ion batteries has been studied . The results show that the carbon nanotubes have a high specific surface area and excellent electrical conductivity , which can be used in electric vehicles and hybrid vehicles . The results show that the carbon nanotubes have a high specific surface area and excellent conductivity . The specific capacity was maintained at 620 mAh g ~ ( -1 )) , good cycle stability ( after 50 cycles at 0.5 C ) , 600 mAh g ~ ( -1 ) specific capacity , and better rate performance ( 55.8 % specific capacity retention at 2 C rate ) . The effect of different CNTs content on the structure and morphology of SnS _ 2 composite was investigated . The results showed that when the content of Ni - S _ 2 - SnS _ 2 - 20 was 645mAh g ~ ( -1 ) , the capacity and capacity of the composite were measured at the current density of 100 mA g ~ ( -1 ) . The results showed that the capacity and capacity of the composites were 292.2m ~ 2g ~ ( -1 ) and 0.37cm ~ 3g ~ ( -1 ) respectively .

【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33

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