先进碳材料提升有机正极材料C4Q储锂/钠性能的研究

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目前,锂/钠离子电池的电极材料大都是基于昂贵的、不可再生的、易污染环境的过渡金属无机化合物,这有悖于“可持续发展”的理念。有机化合物成为下一代最受关注的电极材料之一。Calix[4]quinone(C4Q)是一种有机羰基化合物,是在Calix[4]arene的结构上加以修饰,将四个苯酚结构单元氧化成四个对苯醌单元的环状分子。具有理论比容量高(447 mAh g-1),原材料易得、环境污染较小、体系安全的优点,是一类很有前途的储能材料。但C4Q易溶于有机电解液,电池循环稳定性欠佳;导电性差,电池倍率性能较低。使用导电性良好的碳材料对其进行固载形成复合电极材料的方法使得同时解决这两个问题成为可能。本文制备了三元复合材料C4Q/CMK-3/SWCNTs并研究了其储锂/钠性能,由于多孔碳材料CMK-3与单壁碳纳米管(SWCNTs)的协同固载作用,电池的循环性能与倍率性能都得到了明显提升。除此之外,本文还使用了两种生物质材料(甲壳素,酸浆果宿萼)高温裂解烧制了生物质碳材料(NACF,PPL)用以固载C4Q,制备了C4Q/NACF,C4Q/PPL复合材料。研究表明,生物质碳材料在降低C4Q在电解液中溶解的同时也提升了电池的倍率性能。不同复合材料的储锂/钠性能如下:(1)C4Q/CMK-3/SWCNTs三元复合材料:锂离子电池中,各组分质量比分数分别为30 wt%,30 wt%,30 wt%时电池性能最佳,0.1 C下经过100次充放电循环后,容量保持在238.7 mAh g-1。1 C时放电比容量仍有约260 mAh g-1。钠离子电池中,各组分质量比分数分别为40 wt%,40 wt%,10 wt%时电池性能最佳。0.1 C下循环100圈后容量保持率仍有66%,1 C时放电比容量仍有346 mAh g-1。(2)C4Q/NACF、C4Q/PPL复合材料:锂离子电池中,C4Q/NACF,C4Q/PPL复合材料0.1 C电流密度下循环100次后放电比容量分别剩162.4 mAh g-1,185.3mAh g-1。1 C时,放电比容量仍有141.7 mAh g-1,165.2 mAh g-1。钠离子电池中,100次循环后,这两种复合材料的放电比容量分别保持在113.5 mAh g-1,130 mAh g-1。电流密度增至1 C时,放电比容量仍有120 mAh g-1,150 mAh g-1
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