钠离子电池用异质原子掺杂石墨烯及其复合物负极的制备与性能研究

发布时间：2020-07-31 15:16

【摘要】：随着能量需求的增加和化石燃料价格的增长,以及使用后所造成的环境问题,能量储存日益成为全球热点。基于电化学能量存储的器件具有广大的应用前景,其中,锂离子电池具有能量密度高、环境友好、无记忆效应等优势,成为最受关注的电化学储能方式。随着智能电网时代的到来和发展,人们对于电子设备和电动车等方面的需求日益增长。然而,锂资源短缺,成本昂贵等问题将会导致出现新的能源短缺危机。钠与锂同为碱金属族元素,在物理化学性质上有很多相似之处。而且,钠资源在自然界蕴藏丰富,价格低廉,具有先天的成本优势,因此,日益成为非常有发展前景的备选者。但是由于钠离子半径远大于锂离子半径,导致锂离子电池电极材料并不适合直接应用于钠离子电池,因此亟需开发出价格低廉,性能优异的钠离子电池电极材料。石墨烯,一种蜂窝网状晶格结构的二维碳纳米材料,具有导电性好、比表面积大、机械强度高和电化学稳定性好等优势,使得石墨烯从众多类型的钠离子电池负极材料中脱颖而出。然而,由于层间范德华力的作用,石墨烯片层容易发生堆积,因此,需进一步对石墨烯材料的结构和表面进行改性。通常可通过构建新颖的三维结构,杂原子掺杂(如B、N、P、S等),或者与其它物质进行复合等方式进行改性修饰,进一步提高石墨烯的储钠性能。三维结构不仅可以阻止石墨烯纳米片的重新堆积,保留石墨烯固有的优异性能,还可以提供充足的电化学反应空间,促进离子和电子的传输。同时,杂原子掺杂可以在石墨烯晶格中引入缺陷,增加储钠位点,进而提高石墨烯材料的电化学性能。与高理论比容量的电极材料相复合,一方面,可以利用高容量电极材料的特性,提升石墨烯基材料的整体比容量,另一方面,可以发挥石墨烯优异的导电性和机械性能,缓解充放电循环过程中钠离子脱嵌产生的体积膨胀问题。充分利用两者间的协同作用,使复合材料表现出极为优异的电性能。本文主要是基于石墨烯,通过构建新颖的三维结构,掺杂不同的杂原子或复合金属硫化物等方式,对石墨烯进行改性修饰,并对合成的材料进行相关表征分析,探究其作为钠离子电池负极的电化学性能。(1)采用聚苯乙烯纳米球为模板,引入三聚氰胺为氮源,成功制备出具有新颖结构的三维气泡状氮掺杂多孔石墨烯。通过控制碳源和氮源的比例,获得性能优异的氮掺杂多孔石墨烯材料。当氧化石墨烯与三聚氰胺的质量比为1:40时,所制备的N-3DPG4表现出最优的性能。在0.2 A g~(-1)电流密度下循环500次后,可逆比容量仍然可以达到310 mA h g~(-1),即使电流密度增大到10 A g~(-1),依然具有169 mA h g~(-1)的比容量。同时还对该材料的储钠机理进行了进一步详细的研究。研究表明三维结构不仅有助于电解液渗透,而且可以加快离子和电子的迁移;同时,N掺杂可以在石墨烯中诱导产生大量的缺陷,增加石墨烯的活性位点和导电性;进而提高材料的循环和倍率性能。(2)以尿素和植酸为氮源和磷源,通过一种简单有效的水热合成方法,经过高温煅烧成功制备出三维氮磷共掺杂石墨烯,将其作为钠离子电池负极开展相关的研究。在0.2 A g~(-1)的电流密度下,经过1000圈的长周期充放电循环以后,其比容量依然能够保持到230 mA h g~(-1),即使在8.0 A g~(-1)和10 A g~(-1)的高电流密度下,仍能保持140 mA h g~(-1)和141 mA h g~(-1)的比容量。可见,材料具有超长的循环稳定性和优异的倍率性能,得益于其稳定的三维多孔网状结构及氮磷掺杂原子间的协同耦合作用。(3)采用一步水热法制备三维的MoS_2@NG复合材料。利用N原子掺杂改性,二硫化钼和石墨烯间的协同作用,可进一步提高石墨烯的储钠性能。在0.2 A g~(-1)的电流密度下,循环140次后,放电比容量仍能保持630 mA h g~(-1);在8.0 A g~(-1)和10 A g~(-1)的大电流密度下,MoS_2@NG仍能获得467 mA h g~(-1)和445 mA h g~(-1)的比容量。电化学结果表明MoS_2@NG复合材料具有较高的放电比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率性能。
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

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