N/S掺杂生物质衍生多孔碳材料的制备及储锂/储钠性能研究
发布时间：2021-03-03 01:24
在各种各样的能源发展策略中,电化学能源是目前最有前途的储能设备,其中锂离子电池（LIBs）表现的尤为突出。随着各种电子设备的需求不断增长,LIBs被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和可再生能源储备领域。随着LIBs在社会生活和生产中的地位日益突出,锂矿资源需求量必然增加,势必推高相关原材料的价格,进而增加电池成本,不利于新能源产业的发展。钠与锂为同一主族元素,具有相似的物理和化学性质,而且钠在地壳中的储量相对丰富,价格远低于锂原料价格。因此,开发高性能钠离子电池（SIBs）可以弥补LIBs的不足,具有重要的应用价值和现实意义。此论文以甘蔗渣、小麦秸秆和刨花（木材屑）等生物质作为碳源,通过一种简单且通用的高温活化的方法制备三维多孔碳材料。所得材料不仅具有大孔结构,还拥有丰富的介孔结构以及微孔结构。材料通过大孔桥连形成多级孔结构,此结构为锂离子的储存提供了通道和位点,从而提高电池的性能。三维多孔碳材料作为LIBs阳极材料,表现出高比容量和稳定的循环性能。其中甘蔗渣的高温碳化产物（800℃）在电流密度0.1 A g-1条件下循环100圈后,比容量仍然保持在325 mA...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
可充电锂电池的锂嵌入/脱出机理示意图[21]
第一章绪论5FexOy[56]、CuO[57]、Cu2O[58]、MoO2[59]等）、金属硫化物、金属磷化物和金属氮化物（MxXy；X=S[60]、P[61]、N[62]）。LIBs不同阳极材料的工作机理示意图如1.2所示[63]图1.2锂电池中阳极材料不同反应机理示意图。黑色圆圈：晶体结构中的空隙；蓝色圆圈：金属；黄色圆圈：锂[63]。Fig.1.2Aschematicrepresentationofthedifferentreactionmechanismsobservedinelectrodematerialsforlithiumionbatteries.Blackcircles:voidsinthecrystalstructure,bluecircles:metal,yellowcircles:lithium[63].1.3.1嵌入/脱出型阳极材料LIBs嵌入/脱出型阳极材料主要包括碳基材料和钛基材料。碳基材料根据结晶度和碳原子堆积方式可分为石墨化碳和非石墨化碳[64]。商业化LIBs阳极材料石墨理论比容量（372mAhg-1）较低，虽然生产成本低廉，但应用仅局限于低功率设备，而很难应用到电动汽车、智能电网系统以及高功耗设备，而且石墨材料存在扩散速率低、倍率性能差等缺陷，因此碳基材料研究重点就转移到了多孔碳、碳纳米管和石墨烯等非石墨化碳材料[65]。
第一章绪论7尽管我们已经展示了许多有趣的实验结果，但从电池行业的角度来看，CNT技术还不够成熟，大规模生产和成本问题成为其在LIBs领域应用的阻碍。图1.3钻孔多壁碳纳米管合成示意图[74]。Fig.1.3SchematicprocedurefordrillingMWCNTs[74].1.3.1.3石墨烯（Graphene）Graphene是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维纳米片状材料。Graphene材料良好的导电性、机械强度、高电荷迁移率和高表面积，使得其成为LIBs适宜的阳极材料[75]。事实上，Graphene的储锂性能研究颇具争议。由于单层Graphene材料吸附锂的能力低于石墨（372mAhg-1）[76]，但当Graphene材料形成多层二维片状结构时，理论容量远超过石墨。Sahoo等人[77]利用氢辅助还原法制备二氧化锡修饰硼掺杂Graphene纳米片复合材料，该方法具有简单、绿色环保和环境友好等特点。当此复合材料作为LIBs的阳极材料时，展现出高比容量、优异的导电性能和良好的倍率性能。在0.2Ag-1电流密度下，可逆容量保持在348mAhg-1。Han等人[78]也合成出双层纳米多孔MoO3/Graphene复合材料，其独特的堆叠多孔结构能够增强离子和电子传输速率，进而实现锂离子快速扩散和转移，同时多孔且柔性的电极可以提升电池的容量和倍率性能。其作为阳极材料时，在0.25Ag-1电流密度下，可逆容量保持在710mAhg-1以上，而200Ag-1高电流密度，容量仍然保持在260mAhg-1。优异电化学性能和超过13000圈放/充电循环性能为
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池负极材料的制备及应用进展[J]. 严旭明,冯光炷,黄雪. 化工新型材料. 2019(07)
[2]A Review: Enhanced Anodes of Li/Na-Ion Batteries Based on Yolk–Shell Structured Nanomaterials[J]. Cuo Wu,Xin Tong,Yuanfei Ai,De-Sheng Liu,Peng Yu,Jiang Wu,Zhiming M.Wang. Nano-Micro Letters. 2018(03)
[3]Azobenzene mesogens mediated preparation of Sn S nanocrystals encapsulated with in-situ N-doped carbon and their enhanced electrochemical performance for lithium ion batteries application[J]. 王勐,周旸,段军飞,谌东中. Chinese Physics B. 2016(09)
[4]过渡金属氮化物在锂离子电池中的应用[J]. 陈汝文,涂新满,陈德志. 化学进展. 2015(04)
[5]钠离子电池电极材料研究进展[J]. 贾旭平,陈梅. 中国电子科学研究院学报. 2012(06)
博士论文
[1]高比能锂离子电池负极材料硅、锂的可控制备与电化学性能研究[D]. 林良栋.山东大学 2019
[2]碳/锡基纳米复合材料的制备及其在锂离子电池负极中的应用[D]. 梁况.中国科学技术大学 2019
本文编号：3060327
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
可充电锂电池的锂嵌入/脱出机理示意图[21]
第一章绪论5FexOy[56]、CuO[57]、Cu2O[58]、MoO2[59]等）、金属硫化物、金属磷化物和金属氮化物（MxXy；X=S[60]、P[61]、N[62]）。LIBs不同阳极材料的工作机理示意图如1.2所示[63]图1.2锂电池中阳极材料不同反应机理示意图。黑色圆圈：晶体结构中的空隙；蓝色圆圈：金属；黄色圆圈：锂[63]。Fig.1.2Aschematicrepresentationofthedifferentreactionmechanismsobservedinelectrodematerialsforlithiumionbatteries.Blackcircles:voidsinthecrystalstructure,bluecircles:metal,yellowcircles:lithium[63].1.3.1嵌入/脱出型阳极材料LIBs嵌入/脱出型阳极材料主要包括碳基材料和钛基材料。碳基材料根据结晶度和碳原子堆积方式可分为石墨化碳和非石墨化碳[64]。商业化LIBs阳极材料石墨理论比容量（372mAhg-1）较低，虽然生产成本低廉，但应用仅局限于低功率设备，而很难应用到电动汽车、智能电网系统以及高功耗设备，而且石墨材料存在扩散速率低、倍率性能差等缺陷，因此碳基材料研究重点就转移到了多孔碳、碳纳米管和石墨烯等非石墨化碳材料[65]。
第一章绪论7尽管我们已经展示了许多有趣的实验结果，但从电池行业的角度来看，CNT技术还不够成熟，大规模生产和成本问题成为其在LIBs领域应用的阻碍。图1.3钻孔多壁碳纳米管合成示意图[74]。Fig.1.3SchematicprocedurefordrillingMWCNTs[74].1.3.1.3石墨烯（Graphene）Graphene是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维纳米片状材料。Graphene材料良好的导电性、机械强度、高电荷迁移率和高表面积，使得其成为LIBs适宜的阳极材料[75]。事实上，Graphene的储锂性能研究颇具争议。由于单层Graphene材料吸附锂的能力低于石墨（372mAhg-1）[76]，但当Graphene材料形成多层二维片状结构时，理论容量远超过石墨。Sahoo等人[77]利用氢辅助还原法制备二氧化锡修饰硼掺杂Graphene纳米片复合材料，该方法具有简单、绿色环保和环境友好等特点。当此复合材料作为LIBs的阳极材料时，展现出高比容量、优异的导电性能和良好的倍率性能。在0.2Ag-1电流密度下，可逆容量保持在348mAhg-1。Han等人[78]也合成出双层纳米多孔MoO3/Graphene复合材料，其独特的堆叠多孔结构能够增强离子和电子传输速率，进而实现锂离子快速扩散和转移，同时多孔且柔性的电极可以提升电池的容量和倍率性能。其作为阳极材料时，在0.25Ag-1电流密度下，可逆容量保持在710mAhg-1以上，而200Ag-1高电流密度，容量仍然保持在260mAhg-1。优异电化学性能和超过13000圈放/充电循环性能为
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池负极材料的制备及应用进展[J]. 严旭明,冯光炷,黄雪. 化工新型材料. 2019(07)
[2]A Review: Enhanced Anodes of Li/Na-Ion Batteries Based on Yolk–Shell Structured Nanomaterials[J]. Cuo Wu,Xin Tong,Yuanfei Ai,De-Sheng Liu,Peng Yu,Jiang Wu,Zhiming M.Wang. Nano-Micro Letters. 2018(03)
[3]Azobenzene mesogens mediated preparation of Sn S nanocrystals encapsulated with in-situ N-doped carbon and their enhanced electrochemical performance for lithium ion batteries application[J]. 王勐,周旸,段军飞,谌东中. Chinese Physics B. 2016(09)
[4]过渡金属氮化物在锂离子电池中的应用[J]. 陈汝文,涂新满,陈德志. 化学进展. 2015(04)
[5]钠离子电池电极材料研究进展[J]. 贾旭平,陈梅. 中国电子科学研究院学报. 2012(06)
博士论文
[1]高比能锂离子电池负极材料硅、锂的可控制备与电化学性能研究[D]. 林良栋.山东大学 2019
[2]碳/锡基纳米复合材料的制备及其在锂离子电池负极中的应用[D]. 梁况.中国科学技术大学 2019
本文编号：3060327
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