层状前体法掺杂碳纳米结构的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-10-04 10:30

  本文关键词：层状前体法掺杂碳纳米结构的制备及电化学性能研究

  更多相关文章： 插层水滑石 类水滑石 无定型碳复合物 二次电池 负极材料 超级电容器 循环耐久性

【摘要】：锂离子电池,钠离子电池和超级电容器,作为21世纪最有前景的能源储存装置之一受到了人们的广泛关注。但如今的电池材料在其比容量,体积密度和功率密度,都很难满足人们对于高性能电池的日益增长的需求,尤其是在移动式类型电子便携设备,电动汽车和智能电网方面的需求量更是巨大。在此基础上,我们发现,具有较高比表面积,适宜孔径体积以及较强导电性的碳电极材料无疑会很大程度上提高这些二次电池和超级电容器的比容量,增强电子和离子传输速度,缩短其离子传输路径。近些年来,水滑石及类水滑石材料在电化学方面的应用引起了广泛的研究兴趣。本文利用高温处理,酸性刻蚀等手段处理类水滑石前体材料(CoFeAl-LDH, NiAl-LDH),利用水滑石独特的插层特性制备得到了杂原子掺杂的,具有较宽孔径分布,较高比表面积的碳活性材料(N-doped C和S-doped C),其表现出了优异的电化学活性和稳定性。本论文主要内容和创新点如下：(1)采用成核和晶化隔离(SNAS)步骤的方法制备出CoFeAl-LDH,在与三聚氰胺物理混合制备得到CoFeAl-LDH/M后,经焙烧,酸处理设计后得到氮掺杂的无定型碳(NAC)纳米复合物。由于杂原子N的影响,该复合物相对于单纯的碳材料来说,其本身的导电特性,比表面积及孔径分布都有部分提高。电化学测试表明,其较商业化的石墨电极相比有着较高的比容量和电池循环稳定。与此同时,这种氮掺杂材料还表现除了优良的超级电容器性能。(2)一步法将选用得到的不同杂原子的有机物质插层到NiAl-LDH层间,经过热,酸处理得到硫掺杂的无定型介孔碳(SMAC)和非掺杂的无定型介孔碳(NMAC)。这两种电极材料无论是作为锂电池负极材料还是钠电池负极材料都表现出了较高的比容量和循环耐久性。并根据水滑石生长机制和特性,系统研究了温度对于材料的结构的影响,认为在适宜焙烧温度(700℃)得到的材料具有最佳的电化学性能特征。这种方法简单高效且可大批量制备硫掺杂的介孔无定型碳结构材料。
【关键词】：插层水滑石 类水滑石 无定型碳复合物 二次电池 负极材料 超级电容器 循环耐久性
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 研究背景13
• 1.2 锂离子电池和钠离子电池概述13-26
• 1.2.1 锂离子电池概述,组成及其工作原理13-16
• 1.2.2 锂离子电池负极材料16-22
• 1.2.3 钠离子电池概述,组成及其工作原理22-23
• 1.2.4 钠离子电池负极材料23-25
• 1.2.5 超级电容器材料25-26
• 1.3 水滑石概述26-30
• 1.3.1 水滑石的结构特性26-27
• 1.3.2 水滑石的性质27-28
• 1.3.3 水滑石的应用28-29
• 1.3.4 水滑石作为电池负极材料29-30
• 1.4 本课题研究内容、目的和意义30-33
• 1.4.1 选题的目的及意义30
• 1.4.2 研究内容30-33
• 第二章 实验部分33-37
• 2.1 实验药品33
• 2.2 测试使用仪器33-34
• 2.3 纳米材料表征34-35
• 2.3.1 X射线粉末衍射(XRD)34
• 2.3.2 电镜分析(SEM,TEM和HRTEM)34-35
• 2.3.3 拉曼光谱分析(Raman)35
• 2.3.4 X射线光电子能谱(XPS)35
• 2.3.5 程序升温物理吸附仪(BET)35
• 2.4 电极材料制备及电池测试参数35-37
• 2.4.1 负极材料的制备35
• 2.4.2 电池性能测试35-37
• 第三章 层状前体法氮掺杂无定型碳纳米复合材料的制备及其锂离子电池和超级电容器性能研究37-47
• 3.1 引言37-38
• 3.2 实验38
• 3.3 氮掺杂无定型碳纳米复合物的表征38-45
• 3.3.1 XRD表征38-39
• 3.3.2 氮掺杂无定形碳的形貌于结构表征39-40
• 3.3.3 氮掺杂无定型碳的光电子能谱分析(XPS)40-41
• 3.3.4 氮掺杂无定型碳的电池性能研究41-43
• 3.3.5 氮掺杂无定型碳的超级电容器性能研究43-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 层状前体法硫掺杂无定型介孔碳材料的倒备及其锂离子电池性能研究47-59
• 4.1 引言47-48
• 4.2 实验部分48
• 4.3 结果与讨论48-57
• 4.3.1 硫掺杂介孔无定型碳材料的简要制备流程48-49
• 4.3.2 硫掺杂介孔无定型碳材料的结构表征49-50
• 4.3.3 SEM和TEM表征50-51
• 4.3.4 Raman,N_2吸脱附及XPS表征51-53
• 4.3.5 SMAC与NMAC的电化学性能53-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 结论59-61
• 本论文创新点61-63
• 参考文献63-73
• 致谢73-75
• 研究成果及发表的学术论文75-77
• 作者和导师简介77-78
• 附件78-79

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