聚苯胺及其修饰的碳基复合物的制备与电化学性能研究

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随着人类社会的发展,我们对能量的需求也日趋加强。锂硫电池因具有很高的理论容量(1675mAhg-1)以及能量密度(2600whg-1)而备受关注,然而锂硫电池面临的主要问题是活性物质不可逆的流失,解决这一问题的主要思路是在电极材料表面包覆一层导电物质或者在正极材料中形成化学键从而抑制活性物质的流失。PANI因其具有良好的导电性和环境稳定性、独特的质子掺杂机制以及低成本、易合成等优异的性质,使其成为研究和应用最广的一类导电聚合物材料。基于以上两个背景,本文主要将PANI及纳米结构PANI作为导电基体与硫形成复合材料,研究其锂硫电池性能;通过在不同材料表面形成PANI包覆层,形成复合材料,研究具有PANI包覆结构复合材料的锂硫电池性能。通过自组装法、快速混合法、硬模板法合成纳米结构的PANI-NT、PANI-Fiber以及Meso-PANI,与硫进行加热复合形成复合材料。经BET、SEM、TEM等测试表明PANI具有明显的纳米结构。对复合材料进行电化学测试,PANI-NT/S在200mAg-1电流下的首次放电容量高达1186mAh·g-1,400mAg-1电流密度下50圈循环之后,依旧保持677mAh·g-1的容量,结果显示各种电流下复合材料都明显地提高了活性物质的利用率以及电池的循环性能。以低分子量酚醛树脂为前驱体,三嵌段聚合物F127为软模板,经过经挥发诱导自组装过程制备出具备二维六方和体心立方结构的有序介孔碳FDU-15和FDU-16。BET、TEM等测试表明制备的有序介孔碳具有较大的比表面积和规则的孔道结构。与硫形成复合材料,然后经过PANI包覆。对样品进行电化学性能测试,结果表明有序介孔碳对锂硫电池性能有显著的提高,有序孔道结构有利于抑制活性物质的流失,同时经过PANI包覆以后,使得活性物质利用率及电池循环性能进一步提高。以不同种类纳米碳材料作为基体,制备出CNT-S、CNF-S、FGS900-S复合材料,对样品进行不同含量的PANI包覆,形成PANI@C-S-40、60、80μL复合材料。经FT-IR、SEM测试表明在复合材料表面均匀的形成一层PANI。对样品进行电化学性能测试,结果表明PANI包覆对复合材料电化学性能有着明显提升。在PANI@CNT-S-80μL中库伦效率由88%提高至98%,而PANI@FGS900-S-40μL表现出明显的包覆结构的作用,50次循环以后容量保持在1000mAh·g-1。同时对于不同材料最优的PANI包覆量及包覆效果各不相同,经过对实验结果对比发现,比表面积和孔容较大的材料PANI包覆量大效果更好,相反的PANI包覆量偏小效果更好。
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