离子液体衍生材料改性膨胀石墨及其储钾性能研究

作     者：杜浩雯 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张虎成;王海燕

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：钾离子电池 负极材料 离子液体 功能化碳 电化学性能 

摘      要：锂离子电池虽然在大规模储能技术中被广泛应用,但仍面临着资源匮乏和成本升高等问题。因此,急需寻找其他储能设备来满足不断增长的能源需求。钾离子电池与锂离子电池作用机理相似,而且钾资源储量丰富,因此在新一代储能体系中占据优势。石墨作为商用锂离子电池负极材料,具有成本低、环境友好性和可持续性的特点,因而在钾离子电池中也得到了广泛研究。理论上讲,钾离子易在石墨中插层,但容量低和动力学迟缓仍然是实用化过程中存在的挑战。杂原子掺杂在提高碳材料储能性能方面极具潜力,但调控掺杂位置实现有效掺杂仍是很大的挑战。离子液体具有可调控阴阳离子结构,可通过π-π共轭、氢键、化学键等作用参与反应,能够被用在结构多样材料的合成。本文基于离子液体与膨胀石墨之间的共轭作用,以及离子液体富含杂原子的特性,控制合成了杂原子掺杂碳改性膨胀石墨材料,实现了杂原子的可控掺杂,因此增强了石墨材料的储钾能力,并改善了钾离子扩散动力学。该材料用作钾离子电池负极时,电池具有突出的可逆比容量、倍率性能和超长循环稳定性。具体工作总结如下:1.基于1-乙基-3-甲基咪唑溴盐([Emim]Br)离子液体与膨胀石墨(EG)间的共轭作用,实现离子液体在EG表面均匀包覆,进一步煅烧,制备出氮掺杂碳包覆EG(NEG)复合材料。[Emim]Br前驱体的特殊结构及其与EG间的相互作用使得热解过程中氮元素倾向于形成活性边缘N构型,从而实现81.3%的边缘氮掺杂比例,提高了K的吸附能。应用于钾离子电池负极时,NEG复合材料在0.01 A g电流密度下的比容量为333.1 m Ah g;电流密度为5 A g时,展现出162.6 m Ah g的高比容量;在1 A g的电流密度下循环2000圈后,比容量仍能保持181.9 m Ah g。另外,理论计算表明边缘氮构型具有更高的储钾能力。2.通过共轭作用将1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Emim]BF)离子液体与膨胀石墨进行组装并进一步煅烧,合成了表面可控的N、B共掺杂膨胀石墨(NBEG)。咪唑前驱体可以将掺杂氮调整为活性边缘N构型,而B的共掺杂进一步提高了边缘氮掺杂比例,达到90.9%的超高水平。由于高效掺杂位点和N、B掺杂含量优化(4.36%,2.07%)平衡了钾离子的吸附与扩散,NBEG负极展现出较高的比容量、优异的倍率性能和长期循环稳定性。其电化学性能超过了报道的大多数以碳基为负极的钾离子电池。此外,密度泛函理论模拟结果证明了N、B共掺杂在吸附能力、K原子迁移率和电子导电性方面具有促进作用。因此,我们的工作为制备先进钾离子电池高性能碳负极提供了一种新的解决方案。