论文部分内容阅读
化石燃料的过度使用,使得温室效应、雾霾等问题日益突出,也对我们的生存环境构成严峻的挑战。化石燃料是不可再生资源,并不是取之不尽、用之不竭的,因此对化石燃料的极度依赖不利于可持续发展,且前景堪忧。锂离子电池相对于其他材料的电池来说具有材料轻便、循环次数高、对环境污染小、无记忆效应、自身放电率小等优点,已经得到人们越来越多的青睐。目前,纳米尺寸的过渡金属及其氧化物、硫化物以及磷化物凭借其颗粒尺寸小,成本低、生态友好、理论比容量高等特点逐渐引起人们较高的关注。但是他们循环稳定性差、不可逆容量损失大、比容量低、体积膨胀过大、电导率较低等问题限制了其在锂离子电池中的实际应用。空心介孔碳纳米球(HMCNs)因其具有良好的导电性、多孔壳结构、较大的比表面积而引起了人们的极大兴趣。此外,HMCNs使用多孔壳结构来提供巨大的孔洞以容纳客体化合物,减少纳米粒子的聚集。以中空介孔碳纳米球作为生长基底,将铁和钴纳米粒子经过热分解法在空心介孔碳纳米球的壳层内外壁上实现原位生长,形成一种新型的基于界面锚定效应的Fe基/C、Co基/C空心纳米球并用于电化学储能,为锂离子电池负极材料的合成提供了 一种新途径。本论文的研究内容分为以下三个部分:(1)基于界面锚定效应的Fe3O4/C空心纳米球增强储锂性能的研究采用空心介孔碳纳米球(HMCNs)作为生长骨架,Fe3O4纳米粒子(Fe3O4NPs,直径为10 nm)通过热分解反应原位生长在HMCNs的内外壁上,形成一种类似于芝麻球状的新型Fe3O4/C空心纳米球(Fe3O4/C HNSs)。Fe3O4/C HNSs循环稳定性能优异。电流密度为1 A g-1,循环250圈后Fe3O4/C HNSs的比容量仍高达946 mA h g-1。与未形成复合结构的Fe3O4 NPs相比,Fe3O4/C HNSs的电化学性能明显改善。将Fe3O4NPs锚定在HMCNs的壳层上,可以避免Fe3O4NPs的聚集,增加锂离子的活性位点,加快锂离子的迁移速率。此外,Fe3O4/C HNSs的骨架,即HMCNs,可以提高复合材料的电导率,促进电子的传递。这一概念和制备方法可以推广到合成其他具有良好电化学性能的空心纳米材料。(2)原位衍生化合成Fe7S8/C空心纳米球及其电化学储锂性能研究在上一章的基础上,通过原位硫化和磷化将Fe3O4/C空心纳米(Fe3O4/C HNSs)前驱体分别转化为Fe7S8/C HNSs和Fe(PO3)2/Fe2O3/C HNSs,并且研究了衍生温度、磷源等对形貌和晶型结构的影响。电流密度为1Ag-1,循环250圈后,Fe7S8/C HNSs的比容量为1006 mAh g-1。与Fe3O4/C HNSs和Fe(PO3)2/Fe2O3/CHNSs相比,极化作用减弱、结构设计独特以及锂离子扩散速率提升使得Fe7S8/C HNSs的电化学性能显著提高。将Fe7S8 NPs固定在HMCNs的壳层上,可以避免Fe7S8NPs的聚集,提高复合材料的导电性,促进电子的传递。在储能与转换领域,它是一种具有良好电化学性能的理想材料。(3)超细Co颗粒复合空心纳米碳球的合成及其储锂性能研究为证明空心介孔碳球作基底材料,利用热分解法制备复合材料方法的普适性,本章以乙酰丙酮钴为钴源,将平均直径为6 nm的Co纳米颗粒(NPs)原位生长在HMCNs的壳壁上,形成一种超细Co颗粒复合空心纳米碳球(Co/C HNSs)。由于微小纳米颗粒的界面效应,结构设计良好的Co/CHNSs可以提供更多的锂离子存储位点,加快锂离子的迁移速率。Co NPs在HMCNs壳层上的原位生长对Co NPs有很好的约束作用,可以减少纳米颗粒的聚集、损耗和堆积,保持复合材料的完整结构。在10Ag-1的电流密度下,循环1000圈后的Co/C复合材料的比容量仍能达到264 mA h g-1。与未形成复合结构的超细Co纳米颗粒相比,Co/CHNSs的电化学性能明显地改善。