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多孔碳纳米复合材料的制备电化学及其电化学性能研究

发布时间:2017-04-29 17:12

  本文关键词:多孔碳纳米复合材料的制备电化学及其电化学性能研究,由笔耕文化传播整理发布。


【摘要】:多孔碳由于其比容量高,导电性好,大电流密度下容量保有率高且成本低,原料丰富等优点,已经成为人们研究锂离子电池负极材料及超级电容器电极材料的热点。对多孔碳石墨化处理能提高其导电性。通过异质原子掺杂能够在碳基材料中引入赝电容效应进而提高其能量密度;异质原子掺杂的多孔碳骨架复合氧化物纳米结构不仅能够有效提高电极材料的电子导电率,而且能够缩短锂离子扩散路径并提供良好的应力缓释作用。金属锡有许多优异的电化学性能,但是在充放电过程中体积变化剧烈而破坏材料的结构,造成容量迅速衰减。解决这一难题的有效办法就是制备一种多孔碳/锡纳米复合材料。本文通过化学原位氧化法合成了聚苯胺前驱体与聚苯胺/氧化石墨纳米复合材料,并对其进行了一步高温碳化、活化及石墨化获得一种高度石墨化多孔含氮碳材料;通过直接碳化得到一种多孔碳/锡纳米复合材料。主要研究内容如下:(1)以聚苯胺为前驱体,氢氧化钾作为活化剂,镍氰化钾提供的镍为催化剂通一步催化碳化、催化、活化法制备一种三维多孔石墨化含氮碳材料(HPGCN)。XRD测试发现HPGCN有明显的石墨化碳,而HPCN中观察不到石墨碳产生的晶格条纹。对其进行电容性能分析,HPGCN和HPCN在0.5 A g-1时的比容量分别为335.2 F g-1,263 F g-1,当电流密度为增加到10 A g-1时比容量分别为286.3 F g-1,210 F g-1。(2)以聚苯胺/氧化石墨为前驱体,通过一步高温碳化、催化、活化法制备了一种石墨化三维多孔含氮碳/石墨烯(GCNG)纳米复合材料。通过SEM与TEM对其观察发现GCNG是多孔片网结构,孔壁上均匀地分散着许多小孔,使得整个材料都是连通的。通过XRD对其表征发现GCNG比CNG的石墨化程度强很多。对其进行了锂电性能测试,GCNG在电流密度大小为0.1 A g-1时首次放电比容量分别为1445.1 mAh g-1,首循环库伦效率为61.6%。并且GCNG的长循环稳定性非常好。(3)使用聚丙烯酸钠与锡酸钠为原材料,高温下一步碳化得到多孔碳/锡纳米复合材料(HPC/Sn)。通过SEM分析发HPC/Sn为100 nm左右的锡颗粒均匀地分散在多孔碳网上的复合结构。通过对其使用XRD表征,证明分布在多孔碳网上的颗粒为单质锡,通过蓝电(Land-CT2001A)对其进行了锂电性能测试。HPC/Sn电极在电流密度大小为0.1 A g-1时,首次放电比容量为1652.1 mAh g-1,首循环库伦效率为59.61%,HPC电极在电流密度大小为0.1 A g-1时首循环放电比容量为1302.6 mAh g-1。可以看出由于锡颗粒的存在,使得HPC/Sn的放电比容量与首循环效率都有所提高。通过测试发现HPC/Sn电极的倍率性能与长循环性能都很高,可以得出结论,HPC/Sn电极在大电流充放电过程中材料的微观结构并没有被破坏,说明多孔碳网能够有效地抑制锡颗粒在充放电过程中的体积膨胀。
【关键词】:聚苯胺 石墨化含氮碳 超级电容器锂离子 电池多孔碳/锡
【学位授予单位】:青岛科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ127.11;TB33
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-12
  • 第一章绪论12-34
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 超级电容器简介13-18
  • 1.2.1 超级电容器的种类14
  • 1.2.2 超级电容器的工作原理14-16
  • 1.2.3 超级电容器的特点16-17
  • 1.2.4 超级电容器的电极材料17-18
  • 1.3 锂离子电池简介18-22
  • 1.3.1 锂离子电池的发展史18-19
  • 1.3.2 锂离子电池的工作原理19-20
  • 1.3.3 锂离子电池的特点20
  • 1.3.4 锂离子电池电极材料20-22
  • 1.4 聚苯胺22-26
  • 1.4.1 聚苯胺的结构23
  • 1.4.2 聚苯胺合成方法23-25
  • 1.4.3 聚苯胺的电学与电化学性质25
  • 1.4.4 聚苯胺的掺杂机制25-26
  • 1.5 石墨烯材料在锂离子电池中的应用26-32
  • 1.5.1 石墨烯简介26
  • 1.5.2 石墨烯结构26-27
  • 1.5.3 石墨烯的性质27
  • 1.5.4 石墨烯的制备27-28
  • 1.5.5 导电聚合物/石墨烯纳米复合材料的合成28-31
  • 1.5.6 石墨烯在锂离子电池负极活性材料31-32
  • 1.6 课题的提出32-34
  • 第二章三维多孔石墨化含氮碳的合成及其电容性能研究34-46
  • 2.1 引言34-35
  • 2.2 实验部分35-38
  • 2.2.1 化学试剂及来源35-36
  • 2.2.2 仪器及设备36
  • 2.2.3 实验方法36-37
  • 2.2.4 表征37-38
  • 2.3 结果讨论38-43
  • 2.3.1 HPGCN与HPCN的表面形貌分析38-39
  • 2.3.2 HPGCN与HPCN的石墨化分析39-40
  • 2.3.3 HPGCN的XPS分析40-41
  • 2.3.4 HPGCN与HPCN的电化学性能分析41-43
  • 2.4 本章小结43-46
  • 第三章石墨化氮掺杂碳/石墨烯纳米复合材料的合成及其锂电性能研究46-60
  • 3.1 引言46-47
  • 3.2 实验部分47-50
  • 3.2.1 实验药品及来源47
  • 3.2.2 实验所用仪器设备47-48
  • 3.2.3 实验方法48-49
  • 3.2.4 表征49-50
  • 3.3 结果讨论50-57
  • 3.3.1 PANI/GO的形貌分析50
  • 3.3.2 GCNG与CNG的形貌分析50-52
  • 3.3.3 GCNG与CNG的石墨化分析52-53
  • 3.3.4 GCNG的XPS分析53-54
  • 3.3.5 GCNG与CNG的电化学性能分析54-57
  • 3.4 本章小结57-60
  • 第四章多孔碳/锡纳米复合材料的制备及其锂电性能研究60-72
  • 4.1 引言60-61
  • 4.2 实验部分61-63
  • 4.2.1 实验试剂及来源61
  • 4.2.2 实验所用仪器设备61-62
  • 4.2.3 实验方法62
  • 4.2.4 表征62-63
  • 4.3 结果讨论63-71
  • 4.3.1 HPC/Sn的XRD分析63
  • 4.3.2 HPC/Sn与HPC的拉曼光谱分析63-64
  • 4.3.3 HPC/Sn与HPC的表面形貌分析64-67
  • 4.3.4 HPC/Sn与HPC的低温氮吸附和孔径分布分析67
  • 4.3.5 HPC/Sn与HPC的电化学性能分析67-68
  • 4.3.6 HPC/Sn与HPC的电化学性能分析68-71
  • 4.4 本章小结71-72
  • 结论72-74
  • 参考文献74-82
  • 致谢82-84
  • 攻读学位期间发表论文及参与基金项目84-86

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  本文关键词:多孔碳纳米复合材料的制备电化学及其电化学性能研究,,由笔耕文化传播整理发布。



本文编号:335291

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