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传统化石能源即将消耗殆尽,这促使人们大力开发使用诸如风能、太阳能、潮汐能等可再生能源来化解能源危机。而为了方便、持续使用这些绿色能源,众多的储能设备被人们开发以对其进行转换与储存。在这些设备中目前被关注最多的是二次储能电池,而锂离子电池无疑是其中的明星。从便携电子设备电源到汽车动力电池,锂离子电池都占有极大的市场份额并在近两年来出现井喷式的发展。然而任何科学技术的发展始终伴随着矛盾与问题。锂资源的快速消耗而导致的价格上涨以及人们对电池能量密度与体积密度的更高需求等问题给锂离子电池的未来发展带来更多挑战。为解决以上问题,近年来研究人员从不同角度展开研究以满足市场的需求。一方面,钠元素由于其储量丰富、价格便宜、环境友好等特点,构建储能机理与锂离子电池极其相近的室温钠离子电池被科学家认为是能够替代锂离子电池作为下一代动力汽车动力源与大型电站配套电源的理想选择之一。另一方面,研究人员继续从锂离子电池体系内部深入挖掘,除了在传统无机电极材料上进一步改性外,提出了采用有机材料作为二次电池的工作电极。有机材料具备资源丰富,提取方便,可实现全绿色循环使用等优势。而无论对于钠离子还是锂离子电池,负极材料的选择与电化学性能的提升一直是提高电池整体性能的关键因素之一。本论文基于以上背景,对几种钠/锂离子电池的负极作了制备与改性研究,并提出了新的改性思路与方法来对负极材料纳米化的同时进行表面修饰。单斜层状化合物Na2Ti3O7由于较低的钠离子嵌入/脱嵌电位(0.3 V vs.Na+/Na)与可观的理论比容量(178 mAh g-1)使其成为近年来被研究得较多的非碳基钠离子电池负极材料之一。而Na2Ti3O7较低的电子电导率与Na+离子半径较大导致的较低离子迁移率使得其实际电化学性能大打折扣。针对以上问题,本文采用两种不同的制备方法来对其改性以提高电化学性能。1)本文采用溶胶凝胶-喷雾干燥法制备了多孔疏松的球形Na2Ti3O7,相比固相烧结法制备的样品,其亚微米级的一次颗粒尺寸减小缩短了钠离子在晶体内部的迁移距离;另一方面,多孔疏松的二次球形结构使得材料比表面积增大,能与电解液更好接触,提高了材料活性位点的利用率。倍率性能显示喷雾干燥制备的球形Na2Ti3O7在4 C倍率下的放电比容量还能达到66 mAh g-1左右,而固相烧结法只有47 mAh g-1。2)为进一步提高材料的电子电导率,本论文将多壁碳纳米管(MWCNTs)加入溶胶-凝胶的前驱体,一方面高导电的MWCNTs可提高材料的电子电导率,另一方面可起到类似“三维骨架”的作用提高Na2Ti3O7的结构稳定性从而改善材料的循环寿命。电化学性能测试结果显示这种电极材料的倍率性能进一步得到提高,在4c倍率下放电比容量可达80mahg-1,在0.1c倍率下循环50周后的实际比容量保持在161mahg-1左右,容量保持率高达90%以上。而未加入碳纳米管的样品比容量保持率只有50%左右。3)为使na2ti3o7颗粒进一步纳米化并实现碳包覆,本文采用静电纺丝法制备了原位碳包覆的na2ti3o7/c纳米纤维。通过优化聚乙烯吡咯烷酮(pvp)在溶液体系中的质量浓度(2.5%),我们得到了纤维直径在120nm,na2ti3o7颗粒在30nm左右的na2ti3o7/c纳米纤维。这些na2ti3o7/c纳米纤维相互连接,且由于碳的存在可形成三维导电网络。结构上的诸多优势可使得电化学性能进一步提高。测试结果显示na2ti3o7/c纳米纤维在4c倍率下的平均放电比容量可达101mahg-1,在0.1c倍率下na2ti3o7/c纳米纤维也表现出了良好的循环寿命,循环30周以上其容量保持率还在95%以上。而在1c倍率下循环100周后的比容量为99mahg-1(保持率为82%)。相比固相烧结法制备的样品在1c倍率下循环100周后的实际比容量只有34mahg-1左右(保持率为50%)。由于钛基过渡金属氧化物的诸多优势,在第五章中本文进一步合成了li4ti5o12/tio2/c纳米纤维作为锂/钠离子电池的负极材料。并用相同的制备方法合成了li4ti5o12/c、li4ti5o12/tio2与li4ti5o12三种样品作为电化学性能对比。作为锂离子电池负极,li4ti5o12/tio2/c在24c倍率下的比容量还高达131mahg-1。相比li4ti5o12在12c倍率下的比容量只有40mahg-1左右。而在6c倍率下循环500周后li4ti5o12/tio2/c的比容量还可保持89%(142mahg-1),而li4ti5o12的比容量保持率只有78%(80mahg-1)。当作为钠离子电池负极时,li4ti5o12/tio2/c与li4ti5o12在4c倍率下的比容量分别为65与32mahg-1,以上两种材料在1c倍率下循环50周后的比容量保持率分别为85%(88mahg-1)与52%(46mahg-1)。实验结果表明,与其他几种材料相比,li4ti5o12/tio2/c在作为锂/钠离子电池负极都表现出了最优的倍率性能与循环寿命。我们认为li4ti5o12与tio2颗粒界面之间的界面协同效应、表面碳包覆与空间三维导电网络是li4ti5o12/tio2/c复合材料获得最优电化学性能的主要因素。从有机电极材料入手,本文在第六章工作中研究了有机小分子对苯二甲酸(h2bdc)作为锂离子电池负极的电化学性能。与常用的对苯二甲酸锂(li2bdc)相比,其实际比容量更高,在0.05c倍率下h2bdc的实际可逆比容量可达300mahg-1以上,在循环50周后还能保持在228mahg-1左右(保持率为77%)。而li2bdc在相同条件下的实际比容量只有213mahg-1,循环50周后其比容量仅有70mahg-1(保持率为34%)。为了进一步提高h2bdc的电化学性能,本文直接将其与mwcnts进行复合,通过优化h2bdc与mwcnts之间的质量比,得到了混合均匀的H2BDC@MWCNTs复合物。实验结果表明H2BDC与MWCNTs的质量比为1:1时其复合物表现出最好的电化学性能,在2 C倍率下的比容量还可达170 mAh g-1以上,而在1 C倍率下循环100周后的比容量为190 mAh g-1左右(比容量保持率为90%)。在论文的第七章中,我们提出采用两亲性的嵌段共聚物PEO272-b-PMA(Az)107作为模板,制备了两种具有周期结构的纳米金属膜(阵列)。1)通过真空蒸镀技术在模板上沉积Ag原子。不同于Ag+离子在PEO畴中选择性浸润,Ag原子更倾向于沉积在PMA(Az)母体上。通过控制蒸镀时间(厚度),我们可以得到厚度在5 nm,孔径在22 nm左右的的纳米Ag三维多孔结构。2)利用HAuCl4水溶液在模板中PEO畴选择性的装载,通过真空紫外光(VUV)对模板的部分刻蚀并同时还原Au3+离子,可得到纳米Au/copolymer复合材料。其中残留的部分有机分子可对纳米Au颗粒起到支撑作用,从而形成垂直于基片的一维纳米柱。考虑到Ag与Au的良好导电性,我们希望以上具有周期性的纳米金属结构可作为二次模板来制备并同时修饰钠/锂离子电池的负极材料,最终提高材料的电化学性能。