木质素多孔炭/镍/氧化镍纳米复合材料的制备及其储锂性能研究

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氧化镍理论容量较高、储量丰富、价廉易得且抗腐蚀,被认为是具有发展前景的新型锂离子电池负极材料之一。然而,氧化镍在充放电过程中存在因体积膨胀剧烈而导致的储锂容量衰减严重以及因导电性差而导致的倍率性能差等问题。将氧化镍纳米化并与碳材料复合可以有效抑制氧化镍的体积膨胀并提高其导电性。木质素具有高碳含量、高热稳定性、良好的结构设计性等优点,是制备氧化镍/碳复合材料中碳基材料的理想前驱体。木质素直接热解炭化得到的木质素炭储锂性能较差,使用活化法、模板法制备得到的木质素多孔炭的储锂性能显著提升。将木质素多孔炭与纳米氧化镍复合,既可以抑制氧化镍的体积膨胀并提升其导电性,还可以使氧化镍发挥结构支撑作用,提升木质素多孔炭的稳定性,进而获得储锂容量较高、循环稳定性较好、倍率性能良好的复合材料。因此,木质素多孔炭(LPC)与氧化镍复合材料的制备、储锂性能以及相关机理研究具有重要的理论意义和应用价值。本文以木质素磺酸钠为碳源,氯化镍为镍源,碳酸钠为沉淀剂,采用简单的共沉淀法,经炭化、酸刻蚀得到系列木质素多孔炭/镍/氧化镍纳米复合材料(LPC/Ni/NiO)。在此基础上,采用水热预处理前驱体然后炭化活化两步法,进一步优化复合材料结构,获得了储锂性能更优的氮掺杂木质素介孔炭/镍/氧化镍纳米复合材料(NHMC/Ni/NiO),得出主要结论如下:(1)通过控制酸刻蚀时间、原料配比可以对LPC/Ni/NiO的微观形貌以及孔道结构进行调控。当原料配比为1.0,酸刻蚀36 h使Ni/NiO含量为10.27 wt%时,所得到的LPC/Ni/NiO-1.0-600-36样品具有较为规整的微观形貌,Ni/NiO颗粒粒径小于10 nm,其比表面积为1498 m~2/g,孔容积为0.922 cm~3/g,平均孔径为4.4 nm,介孔率为48.0%,该材料的储锂性能较优,在0.2 A/g电流密度下循环100圈的放电比容量为1065.1 mAh/g,在1 A/g大电流密度下的放电比容量为445.9 mAh/g。(2)以水热温度120℃,水热时间6 h制备前驱体,将其与氮源三聚氰胺共混后经炭化、酸刻蚀得到NMHC/Ni/NiO。通过调节三聚氰胺与前驱体的质量比可对NMHC/Ni/NiO的微观形貌、孔道结构和表面氮原子的化学态进行调控。当三聚氰胺与前驱体的质量比为0.33时,所得到的NMHC/Ni/NiO-0.33具有较为规整的微观形貌,Ni/NiO颗粒分散性良好,其表面积为408 m~2/g,孔容积为0.36 cm~3/g,平均孔径为4.0nm,介孔率为75.0%,吡啶氮占比为58.9%,该材料的库伦效率与倍率性能有了显著提升,在0.2 A/g电流密度下循环100圈的放电比容量为1230.9 mAh/g,在1 A/g大电流密度下的放电比容量高达714.6 mAh/g。根据XPS和储锂机理分析结果,氮原子的引入有效减少了木质素介孔炭的无序结构并提升了导电性,使复合材料的储锂性能显著提升。本工作对制备具有较高储锂容量、良好循环稳定性、优异倍率性能、成本低廉、绿色环保特点的锂离子电池负极材料提供了一种新思路。
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