氮掺杂复合碳材料的制备及其锌碘电池性能研究

作     者：何玉龙 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张进涛

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：锌碘二次电池 氮掺杂 物理吸附 化学吸附 多孔碳 

摘      要：水系可充电锌碘电池作为一种很有前途的储能器件吸引了研究者的广泛关注。然而,锌碘电池中活性材料碘导电性较差且多碘化物穿梭效应严重,导致其循环稳定性差和潜在的安全问题。针对以上问题,本文通过不同的合成方法调控碳材料的表面性质和化学组成以及孔隙结构,通过物理和化学吸附作用优化碘的稳定性和可逆转化,从而抑制穿梭效应提升锌碘电池的性能。主要研究内容如下:(1)通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈(PAN)包覆铝基金属有机框架(Al-MOF)的A1-MOF/PAN复合纤维膜。随后,热解碳化制备出了氮掺杂的分级多孔碳纳米纤维(NPCNFs),作为碘载体。得益于氮掺杂作用和高孔隙率碳网络结构的限域效应,自支撑碳纳米纤维电极能够有效抑制多碘化物的穿梭效应。此外,原位拉曼光谱揭示了充放电过程中碘和多碘化物之间的两步可逆转化反应,从而有效提高锌碘电池的循环稳定性。(2)利用静电纺丝工艺首先合成了聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯/乙酰丙酮钼(PAN/PMMA/MoO2(acac)2)复合纤维膜,然后在N2/NH3中煅烧得到了超细MoN纳米颗粒嵌入氮掺杂多孔碳纤维复合材料(MoN/N-CNFs)。在热解过程中,PMMA的高温分解和MoN的刻蚀作用产生了许多通道状的孔隙,有助于电解液的浸润和离子的快速传输。除了分级多孔结构的物理锚定作用外,碳纤维中氮掺杂和超细MoN纳米颗粒与碘物种间的化学相互作用,可进一步抑制碘与多碘化物的溶解与穿梭效应。当用于组装锌碘电池时,电池表现出了优异的循环性能和倍率性能。(3)将负载磷钨酸的ZIF-8(PTA@ZIF-8)经过一步热解成功制备了氮化钨修饰多孔碳复合材料(W2N/N-C)。与纯ZIF-8衍生的氮掺杂多孔碳(N-C)相比,由I2@W2N/N-C组装的电池表现出了更低的极化、更高的可逆性、更稳定的循环性能,5C下初始放电容量高达200.9mAhg-1,循环后可逆容量稳定在170.3 mAh g-1,容量保持率在85%。由于极性W2N纳米颗粒和极性多碘化物之间的化学相互作用,以及多孔结构对碘物种的物理限域作用,有效抑制了碘的穿梭效应,从而实现活性材料的有效循环利用。