硬模板法合成有序介孔炭及其储锂/钠性能研究

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伴随着科技迅速发展的同时,许多领域对能源需求也逐年地递增。传统化石能源的有限性以及消费化石能源带来的环境污染问题使得社会亟需下一代绿色储能装置。锂离子电池凭借着自身的特点与优势,吸引了科研工作者与企业界的广泛研发。但是,锂资源有限性与高昂的成本限制了锂离子电池大范围地发展与应用。与锂具有类似理化性质的钠,并且含量丰富,价格低廉。在科技飞速发展的大时代背景下,锂/钠离子电池凭借自身优异的性能,将会迎来前所未有的发展前景。在众多的多孔材料中,有序介孔炭具有稳定的物化性能,高比表面积以及有序规则的孔道等特点,在储能器件的应用研究上较为广泛。本文通过使用硬模法,一步炭化三嵌段共聚物/硅/醇合成多样形貌结构的有序介孔炭,研究介孔炭结构对储能性能的影响。同时在合成介孔炭的基础之上,加以修饰与复合方法来提升电极材料的储能能力。主要工作如下:(1)在三嵌段共聚物P123/硅/丙三醇体系中通过改变盐酸的浓度,合成出具有不同结构的棒状有序介孔炭。将介孔炭作为钠离子电池的负极电极材料进行电化学测试,结果表明,具有有序结构,较大孔径以及较短的孔道长度的介孔炭材料表现出较高的可逆容量和较好的倍率性能。(2)在硫酸体系下一步炭化三嵌段共聚物P123/硅/正丁醇合成有序介孔炭。当正丁醇的添加量为2.5 ml以及炭化温度为800℃有利于球形有序介孔炭材料的形成。球形有序介孔炭的比表面积为1170.7 m2/g以及孔径为3.3与9.7nm。经过5Ag-1测试,结果表明这类球形介孔炭可逆容量保持在76.4mAhg-1,这都归结于炭材料稳定均一的有序孔结构,在大电流密度下更有利于电解液的扩散以及离子的运输。(3)通过氨气活化将杂原子氮引入到介孔炭之中,并且保持原有的球形形貌以及有序的孔道结构。控制活化温度调控氮的含量在0.04-2.83 wt%。当温度在900℃时,炭材料展现出最为优异的储锂特性。在50mAg-1条件下测试电化学性能时,容量保持1069.4mAhg-1左右。在5 Ag-1下,具有较好的大电流长循环稳定特性,经过500次循环的可逆容量保持在170.8 mA h g-1左右,库伦效率接近100%。(4)通过简单的液相浸渍合成Fe304/OMC复合材料,其中Fe304含量占41.20 wt%。Fe3O4/OMC较为完好地保持着有序规则的孔道结构。锂离子电池负极测试的结果表明Fe3O4/OMC循环性能高于OMC的循环性能。Fe3O4/OMC的可逆容量为578.3mAhg-1,OMC的可逆容量为 543 mA h g-1。
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