一维纳米硬碳材料的制备与储钠性能研究

发布时间：2017-09-22 01:36

  本文关键词：一维纳米硬碳材料的制备与储钠性能研究

  更多相关文章： 钠离子电池 氮掺杂空心碳纳米管 粘结剂 静电纺丝 碳纳米纤维

【摘要】：钠离子电池由于钠丰富的储量、较高的安全性能而在大规模储能领域受到了广泛地关注。然而,在锂离子电池领域广泛应用的商业化石墨负极材料储钠容量很低,不适合作为钠离子电池负极材料。目前钠离子电池碳基负极材料的研究重点主要集中在有较大片层间距和无序结构的硬碳材料上,通过增加碳材料的石墨层间距或者制备纳米结构等方法能够有效地提高碳材料的储钠性能。本论文设计了氮掺杂空心碳纳米管和碳纳米纤维等一维纳米硬碳材料,并研究其电化学性能。首先,通过对聚吡咯(PPy)高温热解的方法得到了氮掺杂空心碳纳米管,并用作钠离子电池负极材料。制得的氮掺杂空心碳纳米管为无序结构,N含量较高,表面含有N、O官能团。同时,我们还比较了聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯酸钠(PAA-Na)两种粘结剂对其电化学性能的影响。结果表明,氮掺杂空心碳纳米管的电化学性能跟粘结剂有很大的关系。当以PAA-Na为粘结剂时,氮掺杂空心碳纳米管展现出更高的首次库伦效率、优异的循环稳定性及倍率性能。其首次库伦效率为61.2%,以200 mA/g的电流循环300圈之后,其可逆容量为175.5 mAh/g,而当电流密度增加到5A/g时,其可逆容量仍然能保持在127.7 mAh/g。与传统粘结剂PVDF相比,水系粘结剂PAA-Na具有更高的电化学活性,更好的粘结性及涂覆性,能够更加均匀地覆盖在颗粒的表面,从而在活性物质的表面形成一层更好的离子导电膜,有助于形成更稳固更均匀的SEI膜。进一步的研究证明,PAA-Na的粘结性能与其分子量是紧密相关的。只有分子量适中的PAA-Na才更适合作为钠离子电池粘结剂。其次,通过简单的静电纺丝的方法以及后续热处理,制备出具有一维纳米结构的碳纳米纤维。得到的碳纳米纤维具有无序的结构以及较大的层片间距,相互交织形成网状结构,这非常有利于钠离子的存储和传导,作为钠离子电池负极材料,一维碳纳米纤维的循环以及倍率性能都表现较好。在200 mA/g的电流密度下循环100圈之后,其可逆容量仍有152.1 mAh/g,而在较高的2 A/g的电流密度下仍能保持61.1mAh/g的比容量,这主要得益于其独特的一维纳米纤维结构。一维纳米硬碳材料不仅具有无序结构和较大的层片间距,同时能够有效地缩短钠离子的传输路径、增大活性物质与电解液的接触面积,是一种发展前景良好的钠离子电池负极材料。
【关键词】：钠离子电池 氮掺杂空心碳纳米管 粘结剂 静电纺丝 碳纳米纤维
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 钠离子电池简介10-13
• 1.3 钠离子电池负极材料13-18
• 1.4 研究内容及意义18-20
• 第二章 实验方法20-23
• 2.1 实验试剂及实验设备20-21
• 2.2 材料分析与表征21-23
• 第三章 氮掺杂空心碳纳米管的制备和储钠性能研究23-39
• 3.1 引言23-24
• 3.2 材料的合成及电化学测试方法24-26
• 3.3 氮掺杂空心碳纳米管的表征26-31
• 3.4 氮掺杂空心碳纳米管的电化学性能31-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第四章 静电纺丝制备碳纳米纤维及其储钠性能研究39-47
• 4.1 引言39-40
• 4.2 材料的合成及电化学测试方法40-41
• 4.3 材料的表征41-43
• 4.4 材料的电化学性能43-45
• 4.5 本章小结45-47
• 第五章 总结与展望47-49
• 5.1 总结47-48
• 5.2 展望48-49
• 致谢49-50
• 参考文献50-55
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文55

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本文编号：898069