碳基复合材料的制备与电化学储能研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tony_tang
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如今社会人工智能与物联网等技术发展如火如荼,绿色环保的电动汽车大力普及,社会的发展与人们的实际需求对于移动电源的性能提出了更高的要求与标准。作为商用的锂离子电池,因受当前电极材料以及锂储量的限制,不能满足高能量密度、功率密度与低成本电池的实际需求。因此探索可替代石墨的高性能负极材料迫在眉睫。此外,钾离子电池因其与锂离子电池相似的反应机理与工艺体系,具有较低的电极电势,丰富的钾储量可实现大规模储能等优势而受到广泛关注。但由于钾离子半径较大,容易对电极结构造成破坏从而导致容量衰减。因此探索一种新颖的负极材料对于锂/钾离子电池的发展大有裨益。本文选用碳基复合材料作为锂/钾离子电池负极,既有效利用碳质材料良好的导电性与结构稳定性,又结合了合金化型材料(锡与锑)与转化型材料(四氧化三铁)的高理论容量。通过设计合理的结构与纳米颗粒的生成,制备出电化学性能较好的负极材料。在本文中,我们利用碳基体包覆金属锡单质(Sn@C),碳包覆四氧化三铁(Fe3O4@C)与碳纤维包覆金属锑单质(Sb@C),作为锂/钾离子电池负极材料,研究包括电化学性能在内的各类特性,为锂/钾离子电池的发展提供了多种思路。具体总结如下。(1)以聚丙烯酸钠为碳源,吸取四氯化锡溶液后溶胀,在冷冻干燥后原位生成氯化钠模板,高温碳化后形成一种三维网状骨架结构包覆锡纳米颗粒的复合材料。作为锂离子电池负极材料,其具备较大的比表面积(221.1 m2/g)。材料表现出较好的循环容量(50 mA g-1下循环60周后1036 mA h g-1),并利用预锂化方法将材料的首圈库伦效率由72.4%提高到91.2%。(2)考察转化型负极材料四氧化三铁在锂/钾离子电池中的应用。采用简单的高温固相法构建多孔碳基体,四氧化三铁颗粒均匀分散在其中。作为钾离子电池负极材料时,对比不同碳化温度下的电化学性能,得出700℃下的综合性能最佳,容量保持率为87.7%,可逆容量为285 mA h g-1,以及采用循环伏安法探究储钾容量中电容性行为贡献占比。并进一步探究700℃下的Fe3O4@C复合材料在锂离子电池当中的性能,50 mA g-1下循环50周后容量为837 mA h g-1,保持率达89.8%,具有较好的循环稳定性。(3)采用静电纺丝技术制备出一维碳包覆锑颗粒的纳米纤维。作为钾离子负极,碳锑复合物表现出了较高的循环容量与优异的倍率性能。50 mA g-1下循环50周后容量为369 mA h g-1,在2 A g-1测试电流下容量为172.9 mA h g-1,当电流回到0.05 A g-1时容量回升至417.1 mA h g-1。该论文有图30幅,表2个,参考文献126篇。
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