杂原子掺杂碳/碳复合材料制备及其在锂离子电池中的应用

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mazipeng
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新型碳材料如石墨烯、无定形碳、生物质衍生碳等作锂离子电池负极材料克服了传统石墨负极理论比容量低(372 mAh g-1)、锂离子传输速度慢及倍率性能差等缺点而受到科研人员大量的关注,然而当单一的新型碳材料被用作锂离子电池负极材料时也存在一定的局限性,因此对这些新型碳材料复合改性尤为重要。本论文通过热解离子液体(ILs)对不同形貌的碳基底进行改性,制备的杂原子掺杂碳/碳复合材料结合了两种碳材料的优点,被用作锂离子电池负极材料时具有优异的电化学性能,主要内容如下:(1)以三聚氰胺泡沫热解碳(CMF)为基底,将1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([EMIm]HSO4)热解的氮硫共掺杂碳NSDC与CMF复合,得到NSDC@CMF复合材料。研究盐模板和碳化三聚氰胺泡沫基底对NSDC@CMF复合材料的结构和形貌的影响,结果表明氮硫共掺杂碳生长在了碳化三聚氰胺泡沫热解碳基底上。将其用作锂离子电池负极材料,在0.5C的电流密度下首圈放电/充电比容量为1843.7/861.1 mAh g-1,循环750圈后具有539.4 mAh g-1的可逆比容量。(2)以棉花热解的碳纤维作基底,采用一步碳化法将离子液体1-己基-3-甲基咪唑二腈胺盐([HMIm]N(CN)2)热解的氮掺杂碳(NC)与棉花碳纤维复合,得到NC@CCFs复合材料。研究了NC@CCFs复合材料的微观形貌、结构和元素分布等。结果表明,氮掺杂碳均匀地包覆在碳纤维上,其中氮掺杂量达到了14.85%。将其用作锂离子电池负极材料,在0.5C的电流密度下首圈放电/充电比容量为1256.9/789.8 mAh g-1,循环250圈后仍然具有614.3 mAh g-1的可逆比容量,在10C的大倍率下仍然具有220.2 mAh g-1的可逆比容量。(3)以还原氧化石墨烯(rGO)作基底,将1-乙基-3-甲基咪唑二腈胺盐([EMIm]N(CN)2)热解的氮掺杂碳(NDC)负载在rGO表面,获得了具有三明治结构的rGO@NDC复合材料。采用SEM、TEM、XRD、Raman、FTIR和XPS等分析检测手段研究了rGO@NDC复合材料的微观形貌、结构和元素分布等。结果表明,rGO@NDC是由覆盖在rGO表面的NDC颗粒和夹在rGO层之间的NDC颗粒组成,形成了一种三明治结构的复合材料,其中氮掺杂含量高达7.68%。将其用作锂离子电池负极材料,在0.5C的电流密度下,首圈放电/充电比容量为1392.9/790.1 mAh g-1,经过50次循环后表现出409.4 mAh g-1的高放电比容量,在10C的大电流密度下经过1200次循环后保持222.8 mAh g-1的放电比容量,几乎没有为容量衰减。
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