检索结果-南通市图书馆

作者：李军兰州理工大学

学位级别：硕士

开发高转化效率、多用途的锂离子储能设备至关重要。但是,由于地壳中有限的储量和巨大需求之间的矛盾阻碍了锂离子电池未来更大范围的应用。对于未来急需的大规模储能装置而言,开发高性能钠离子电池或成为解决上述矛盾的方法之一。针对... 详细信息

开发高转化效率、多用途的锂离子储能设备至关重要。但是,由于地壳中有限的储量和巨大需求之间的矛盾阻碍了锂离子电池未来更大范围的应用。对于未来急需的大规模储能装置而言,开发高性能钠离子电池或成为解决上述矛盾的方法之一。针对于目前锂/钠离子电池仍需关注能量密度不足和导电性差等问题。本论文研究工作主要通过设计电极材料的形貌和结构显著提高FeC和MoC作为二次电池负极材料时的离子扩散能力和电子导电性,进而改善过渡金属化合物作为负极材料时的储锂/钠性能,主要研究工作摘要如下:一、提出了溶胶-凝胶策略制备富缺陷碳包覆FeC颗粒负极材料的新方法,通过对得到的凝胶前驱体烧结处理,增加碳原子表面的缺陷结构,从而显著增加锂离子在脱嵌过程中的反应活性位点,提升材料的倍率性能。得到的富缺陷碳包覆的FeC纳米颗粒负极材料在电流密度为1 A g时容量稳定在215 mAh g,在10A g的大倍率下可逆容量为128.8 mAh g。基于FeC和活性炭(AC)构筑的锂离子混合电容器在功率密度为200.0 W kg时可实现187.8 Wh kg的能量密度,上述优异的电化学性能主要归因于电极表面存在的离子反应位点提供额外的电化学容量以及开放的结构有效加强了离子输运能力,使电极材料的倍率性能显著提升,展现了优异的锂离子储存性能。二、以钼酸铵和4-氯邻苯二胺为原料,经过简易水解反应以及烧结过程合成了MoC纳米颗粒组装的层状MoC纳米片材料。相互连接的层状纳米片提供了快速的电子转移通道,提升了钠离子迁移动力学,同时相互连接的MoC纳米颗粒限制了电极材料体积的变化,使电极保持了精心设计的结构。在0.5 A g的电流密度下层状MoC纳米片经过1200次循环依然具有稳定的循环寿命,以MoC为负极,AC为正极的钠离子混合电容器实现了112 W kg的功率密度和76.1 Wh kg的能量密度,经过4000次长循环后容量保持率为83%,是非常具有潜力的钠离子储能负极材料。三、利用NaCl作为模板首次制备了三维异质多孔碳锚定MoC纳米颗粒结构作为钠离子储能负极材料。解决了传统材料活性位点利用率低,离子迁移过程缓慢的问题,相互连接的三维多孔结构为钠离子的脱出嵌入提供了足够的迁移通道。另一方面,多孔碳锚定碳化钼纳米颗粒结构也增强了电极材料的电子导电性,使其具有非常优异的钠离子储能特性。在电流密度为1 A g下经过2500次充放电后仍展现了190.6 mAh g的可逆容量,通过恒电流间歇滴定测试以及赝电容计算发现三维异质多孔结构的设计显著增强了钠离子扩散动力学。通过以三维异质多孔碳锚定MoC纳米颗粒为负极,AC为正极构建钠离子混合电容器,器件展现了130.2 Wh kg的能量密度以及最高30000.0 W kg的功率密度,经过10000次循环后容量保持率为88.9%,为开发高性能钠离子负极材料提供了新方向。

关键词：锂/钠离子电池金属碳化物扩散动力学电化学电容器

基于铁基硫化物的储锂和储钠的电化学性能研究

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基于铁基硫化物的储锂和储钠的电化学性能研究

作者：姜琴哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着社会的高速发展,不可再生资源也越来越缺乏,例如:煤、石油、天然气等。就目前而言,不可再生能源已经很难满足我们未来的生活需求,因此发展绿色可持续的能源迫在眉睫。可充电电池、超级电容、太阳能电池等这些高效率的能源储能和转... 详细信息

随着社会的高速发展,不可再生资源也越来越缺乏,例如:煤、石油、天然气等。就目前而言,不可再生能源已经很难满足我们未来的生活需求,因此发展绿色可持续的能源迫在眉睫。可充电电池、超级电容、太阳能电池等这些高效率的能源储能和转换装置引起了人们的重视,并有望成为不可再生能源的替代品。而能源储能装置中的锂/钠离子电池由于其价格便宜、能量密度高的特性被广泛的应用在电网和不同的便携式电子产品中。本论文将针对铁基硫化物作为锂/钠离子电池两用的负极材料展开研究。一方面铁基硫化物材料具有资源丰富、价格低廉、绿色无毒和比容量高等特点,另一方面与高比容量的金属氧化物相比,其导电率更高,循环过程中体积膨胀的更小。然而,铁基硫化物在实际应用过程中也有许多问题,例如合成过程复杂,并且在锂/钠离子电池循环过程中容易产生一定的体积膨胀。为了解决这些问题,我们通过控制反应过程中不同的合成温度以及冷却方式,测试其电化学性能,最终得到在冰水骤冷,反应温度为180?C条件下的FeS表现出优异的电化学性能。在电流密度为200 mA·g下,经过200圈的循环后其容量仍能保持在384 mAh·g。为了进一步克服其在储能过程中材料由于体积膨胀引起的容量衰减,将FeS材料在氩气氛围下500?C煅烧4 h使其发生部分相变从而引入FeS相,最后生成FeS/FeS复合物使材料性能得到提高。FeS相的引入能够有效的减小颗粒尺寸、减缓体积膨胀,与FeS相发生协同作用从而提升其电化学性能。实验结果表明,FeS/FeS复合物在电流密度为200 mA·g循环200圈后,钠离子电池的比容量高达609 mAh·g。还原氧化石墨烯具有高导电性和比表面积,结构灵活性大,化学性能稳定,将其应用于锂/钠离子电池中有助于提高电化学性能。因此本文通过简单的油浴热法一步合成FeS/RGO,并将其在500?C高温下煅烧4 h,得到FeS/FeS/RGO材料。在钠离子电池循环测试中,FeSFeS/RGO在电流密度为200 mA·g,循环200圈后容量仍保持在640 mAh·g;并且在锂离子电池循环测试中,在电流密度为500 mA·g时,经过300次循环后,材料的放电比容量仍保持在1044 mAh·g,即使在大的电流密度为2 A·g时,循环3000圈后容量还保持在492 mAh·g。

关键词：锂/钠离子电池铁基硫化物负极材料还原氧化石墨烯

铁基化合物@碳复合材料的制备及其储锂/钠性能的研究

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铁基化合物@碳复合材料的制备及其储锂/钠性能的研究

作者：李娜娜上海应用技术大学

学位级别：硕士

最近几年由于电动车以及各种电子设备的兴起,开发具有高倍率性能、高比容量和优良的循环稳定性的动力锂离子电池成为研究热点。而金属化物类负极材料因其较高的比容量和丰富的来源为负极材料的研究带来新的方向。实验结果表明,纯金属复... 详细信息

最近几年由于电动车以及各种电子设备的兴起,开发具有高倍率性能、高比容量和优良的循环稳定性的动力锂离子电池成为研究热点。而金属化物类负极材料因其较高的比容量和丰富的来源为负极材料的研究带来新的方向。实验结果表明,纯金属复合物在充放电过程中会产生严重的体积变化,并且纯金属其导电性差,导致较差的稳定性以及过高的不可逆容量损失。因此构建石墨与金属化物复合材料体系有望做到材料性能互补,提高负极材料的电化学性能。本文从金属化物与石墨碳的纳米结构设计,引入原位杂原子掺杂的杂原子缺陷,为锂/钠离子提供更多的扩散通道,并增加其活性位点的表面积,进一步提升材料的可逆比容量和使用寿命等性能。本论文主要内容概述如下:(1)以乙炔为碳源,氨气为氮源,羰基铁为铁基催化剂,采用浮动催化热解法一步合成原位掺氮的石墨碳壳包覆FeC的核壳纳米颗粒。通过调控反应时间以及反应温度,可制得直径为78 nm的FeC@氮掺杂的石墨碳核壳纳米粒。氮掺杂石墨碳其完整的导电网络配合较小尺寸FeC结构有效地缩短电子及离子的传输路径,在一定程度上提高了其电化学性能。(2)将FeC@NGS前驱体通过热处理去除部分的氮掺杂结构,在前驱体外壳上产生大量的孔结构,使FeC核在不剧烈破坏石墨碳壳的情况下得到有效的氧化生成多孔石墨碳包覆的纳米颗粒(FeO@PWS)。小尺寸的FeO纳米颗粒和较高的碳壳孔隙度可以提供更多的扩散途径,促进Na/Li和电解质的扩散,大大提高了储Na/Li的电化学活性。

关键词：核壳纳米粒杂原子掺杂负极材料电化学性能锂/钠离子电池

新型二维碳基纳米片复合材料的可控合成及储锂/钠性能研究

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新型二维碳基纳米片复合材料的可控合成及储锂/钠性能研究

作者：张京飞南京师范大学

学位级别：硕士

锂离子二次电池具有能量密度高、工作电压高、安全可靠、环境友好等优点,已成为最具潜能的能量存储装置。但随着锂离子电池的大规模应用,锂的有限资源限制其发展。由于钠地球丰度较高,钠离子电池也被认为是锂离子电池最有潜力的替代品... 详细信息

锂离子二次电池具有能量密度高、工作电压高、安全可靠、环境友好等优点,已成为最具潜能的能量存储装置。但随着锂离子电池的大规模应用,锂的有限资源限制其发展。由于钠地球丰度较高,钠离子电池也被认为是锂离子电池最有潜力的替代品。电池的寿命和能量密度等性能主要由其电极材料决定,所以开发高性能的电极材料已成为电池研究的关键因素。在负极材料方面,碳材料被认为是最有前景商业化的材料之一,碳材料的结构和形貌是影响其电化学性能的主要因素。但是目前商业化锂离子电池负极材料为石墨碳材料,其理论比容量较低(372 mAh g-1)和倍率性能差,不能满足高能量和高功率设备发展的需要,迫切要求开展高容量碳负极材料的探索和研究。新型碳材料与其复合材料的开发和研究,是提高锂／钠离子电池负极材料储锂／钠性能的趋势。目前已报道的新型碳材料有零维、一维、二维、三维以及其多维度多结构复合型,其复合方式有碳包覆、碳混合、碳负载等方式。但为开发高性能锂／钠离子电池,需充分发挥碳材料与其他纳米储锂／钠材料的协同优势。本论文以新型二维碳纳米片与过渡金属储锂纳米材料的复合材料为立足点,旨在探索合成一系列嵌入式过渡金属纳米颗粒和碳纳米片复合材料并且探索各种碳纳米片复合物对储锂和储钠的影响。二维碳纳米片复合材料结合了碳纳米材料的导电和缓冲作用特性和过渡金属高储锂容量的性质,与传统碳材料相比,具有更好的电荷传输能力和结构稳定性。因此,二维碳纳米片复合材料有望表现出高的比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率特性,从而满足锂／钠离子动力电池的需求。本论文利用惰性盐(KC1、NaCl)为硬模板和稳定剂,以葡萄糖、氨基酸为碳氮源,过渡金属盐为金属源,通过高温热解设计制备了一系列二维碳纳米片复合材料。由于独特的组成和结构的协同作用,这些二维碳纳米片复合材料均表现出了高的比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率特性。本论文的主要工作如下：(1)我们利用惰性盐NaCl为硬模板和稳定剂,以葡萄糖(C6H1206)为碳源,Ni(NO3)2过渡金属盐为金属源,通过高温热解合成嵌Ni纳米颗粒的碳纳米片。相较于纯碳纳米片,嵌Ni纳米颗粒的碳纳米片表现出了良好的储锂性能。例如,在100 mAg-1的充放电电流密度下经过100次循环,嵌Ni纳米颗粒可逆比容量保持在740 mAhg-1,这远远高于石墨碳的理论容量(372 mAh g-1);也有良好的倍率性能,甚至在1000mA g-1的充放电电流密度下可逆容量仍然保持在410 mAh g-1。(2)我们利用惰性盐KC1为硬模板和稳定剂,以葡萄糖(C6H12O6)为碳源,Co(NO3)2过渡金属为金属源,通过研磨-溶解-结晶工艺并结合二步高温热解法合成嵌C0304颗粒的碳纳米片。与纯的碳纳米片和裸C0304相比表现出良好的循环稳定性和优异的倍率性能。例如,在100 mAg-1的充放电电流密度下经过100次循环,嵌C0304纳米颗粒的碳纳米片可逆比容量保持在861.5 mAhg-1,这远远高于纯的碳纳米片和裸C0304的可逆比容量;同时也具有良好的倍率性能,甚至在1000 mA g-1的充放电电流密度下可逆容量仍然保持在415.7 mAhg-1。(3)我们利用惰性盐KC1为硬模板和稳定剂,以脯氨酸(C5H9NO2)为碳氮源,Fe(acac)3过渡金属盐为金属源,通过研磨-溶解-结晶工艺并结合二步高温热解法宏量制备稳定洋葱状Fe3C-Fe2o3纳米颗粒嵌入式氮掺杂碳纳米片,作为锂离子电池负极材料,该氮掺杂碳纳米片表现出了高的可逆容量、优越的循环稳定性和高的倍率特性。例如,在0.01-3.0 V电压区间和100 mA g-1的电流密度下,经100个循环后该材料仍有高达861.3 mAhg-1的放电比容量;从第5圈到100圈,库伦效率已达到99%。(4)我们利用惰性盐NaCl为硬模板和稳定剂,以葡萄糖(C6H1206)为碳源,Ni(NO3)2过渡金属为金属源,通过高温热解合成嵌Ni纳米颗粒的碳纳米片,经过后期酸处理制得多孔碳纳米片。该材料应用于钠离子电池负极表现出良好的循环性能和显著的倍率性能。在100 mA·g-1的电流密度下,经过200圈循环仍然可以维持到309.4mA·g-1比容量,甚至在1000 mA·g-1的大电流冲击下,依然可达到173.5 mAh·g-1的比容量。因此,该将材料作为钠离子电池负极材料有一定的应用前景.

关键词：锂/钠离子电池负极材料二维碳纳米片模板法复合纳米材

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铜基磷酸盐材料的制备及电化学性能研究

铜基磷酸盐材料的制备及电化学性能研究

作者：党欢陕西科技大学

学位级别：硕士

目前对于二次离子电池正极材料的研究主要集中在嵌入反应机制材料,其循环性能好但可逆容量低,而负极材料和电解液的发展则对正极材料的比容量提出了更高的要求。转换反应机制可以实现多电子转移而提供更高的理论容量,成为一个新的研究... 详细信息

目前对于二次离子电池正极材料的研究主要集中在嵌入反应机制材料,其循环性能好但可逆容量低,而负极材料和电解液的发展则对正极材料的比容量提出了更高的要求。转换反应机制可以实现多电子转移而提供更高的理论容量,成为一个新的研究方向。转换反应机制的铜基磷酸盐材料具有高的理论比容量(约为423 mAh g)及优异的热力学性能等优点,均使其成为非常有发展潜力的正极材料。但因其较差的导电性,且在转换反应过程中存在可逆性差的问题,造成了不理想的循环和倍率性能。本论文研究了不同工艺因素对铜基磷酸盐材料的结构及形貌的影响,并在此基础上分别探索了碳源及锰源的加入对铜基磷酸盐材料电化学性能的影响。通过XRD、SEM、TEM、Raman及XPS等测试对其物相、结构等信息进行表征,并测试了其循环及倍率性能,后通过CV及EIS等测试对其进行了具体的分析。结果表明本论文所做工作对材料电化学性能有明显的提升,结果与讨论如下所述:(1)采用固相法在600-800°C的温度范围内可以合成出Cu(PO)材料。通过研究温度、升温速率及保温时间对产物的形貌结构影响,发现以10°C min的升温速率保温1h时,得到产物的粒径、分布等均较优异。通过控制热处理温度制备出不同非晶层厚度包覆的Cu(PO),当非晶层厚度为3 nm时,样品在0.1 A g的电流密度下充放电30圈后,容量保持为134 mAh g,展现出较好的储钠性能。(2)将Cu(PO)分别与碳纳米管、super P及乙炔黑三种碳源复合,与纯相Cu(PO)对比发现,Cu(PO)/CNTs复合材料可以有效促进转换反应的发生并带来高的储钠容量。在三种复合材料中,Cu(PO)/super P复合材料展现出较优异的储锂性能,其在0.05 A g的电流密度下充放电循环30圈后,样品的可逆容量为115 mAh g。(3)通过控制原料中铜与锰的摩尔比为10:1、1:1及1:10,分别得到磷酸铜(Cu(PO))、磷酸氧铜/氧化铜/磷酸锰复合材料(CuO(PO)/CuO/MnPO)和三氧化二锰(MnO)三个样品。其中,CuO(PO)/CuO/MnPO复合相在0.05和0.5 A g下循环50圈仍可以保持185和101 mAh g的储锂容量,当电流密度逐步增加至2 A g时,可逆容量保持在87 mAh g。因此,CuO(PO)/CuO/MnPO三相复合材料既可以在保持高容量的同时,又有优异的循环性能。

关键词：锂/钠离子电池铜基磷酸盐材料正极材料碳材料

MoS2基复合材料的构筑及其电化学性能研究

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MoS2基复合材料的构筑及其电化学性能研究

作者：刘康利郑州大学

学位级别：硕士

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长,环境友好等优点,成功的实现了商业化应用。二硫化钼（MoS2）作为一种典型的二维层状材料,被认为是一种极具应用前景的锂/钠离子电池的负极材料。得益于MoS2的层状结构,MoS2作为电极材料具有很高... 详细信息

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长,环境友好等优点,成功的实现了商业化应用。二硫化钼（MoS2）作为一种典型的二维层状材料,被认为是一种极具应用前景的锂/钠离子电池的负极材料。得益于MoS2的层状结构,MoS2作为电极材料具有很高的理论比容量（670 mAh g-1）,远高于商业石墨类负极材料（370 mAh g-1）。然而MoS2电子传导率低;基于转换反应的嵌锂机理,使得MoS2在充放电过程中存在巨大的体积变化,导致循环、倍率性能较差,在实际应用仍然存在很大的问题。因此,许多研究利用石墨烯与二硫化钼进行复合,旨在利用石墨烯材料提高材料的导电性,同时减少MoS2在循环过程中的体积变化,充分发挥MoS2材料的优点。随着电动汽车、风能、太阳能和智能通讯等产业的发展,人们对于高能量密度的储能体系的需求更为迫切。锂硫电池的理论比容量高达1675 mAh g-1,能量密度达到2500 Whkg-1,远远超过目前的商业锂离子电池。与传统的锂离子电池相比,锂硫电池的正极活性材料S的资源丰富、对环境友好,使得锂硫电池更具有商业吸引力。但是由于活性物质硫和最终放电产物Li2S的低导电性、放电过程中的S的体积膨胀以及放电中间产物多硫化锂（Li2Sx,2＜x≤8）在电解液的溶解以及在正负极之间的不断穿梭,造成容量的快速衰减。同时低的硫负载量也极大限制了锂硫电池的商业化应用。许多工作都证明MoS2与Li2Sx结合能很强,这有利于捕获溶解的LiPSs并加速其反应转化。与2H-MoS2相比,金属相1T-MoS2允许更快的电子转移而且拥有更多的边缘暴露位置,与多硫化物之间有着更强的相互作用。因此本文通过微波辐照处理合成了高质量的MW-rGO/MoS2复合材料,另外通过调整放电截止电压的方法合成了TiN@1T-MoS2复合材料,并研究了其电化学性能主要的研究内容如下:1.首先,提出了一种简单、实用的“预还原-微波”策略,用于快速修复还原氧化石墨烯复合材料的晶格缺陷,以制备高质量的石墨烯复合材料。首先,通过简单的水热法,使MoS2均匀的生长在GO骨架上,同时GO也被水热还原为rGO。在水热过程中,石墨烯中以sp2键合的碳原子得到部分的恢复,具有吸收微波能量的能力。然后对rGO/MoS2进行30s的微波处理,微波可以高效的去除还原氧化石墨烯中的官能团以修复石墨烯的缺陷,同时不改变复合材料的结构的情况下以获得高质量的rGO/MoS2复合材料。最终得到的MW-rGO/MoS2复合材料具有缺陷少,导电性好,良好的润湿性和结构稳定性等优点,同时降低材料的内阻,提高离子扩散速率。受益于结构性质的综合影响,用作锂离子电极材料的MW-rGO/MoS2复合材料表现出优异的电化学性质。作为锂离子电池负极材料时,在0.5 A g-1的电流密度下,循环200周仍有734 mAh g-1的比容量,作为钠离子电池负极材料时,在1 Ag-1的电流密度下,循环100周仍有335 mAh g-1的比容量。这种新颖、快速、绿色和可扩展的“预还原-微波”策略和相应的机制为制备高性能的石墨烯复合材料并应用于锂/钠离子电池带来了巨大希望。2.在这项工作中,设计了一种用于Li-S电池的TiN@1T-MoS2空心球的新型复合材料。TiN@1T-MoS2空心球的合理结构对于Li-S电池具有以下显着优点:（1）空心TiN@1T-MoS2球的内部空间不仅负载了更高含量的硫,而且还能缓解锂化过程中硫的体积膨胀;（2）金属相的1T-MoS2和TiN的高的导电性有利于电荷转移,从而获得更好的高倍率性能;（3）—方面TiN空心球能够有效的吸附多硫化物,另一方面在TiN球上生长的MoS2纳米薄片为LiPSs的吸收提供了更多的活性位点,并有助于加快多硫化物的反应转化。TiN@1T-MoS2/S也展现出了很好的循环性能,在0.5C的电流密度下循环200周,比容量仍有798 mAh g-1,在1C的电流密度下循环800周,比容量仍有463 mAh g-1。

关键词：微波-预还原 rGO/MoS2 锂/钠离子电池 TiN@1T-MoS2 锂硫电池

含硫氨基酸基金属-有机框架直接衍生的氮、硫共掺杂碳基纳米复合材料及其锂/钠存储性能研究

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含硫氨基酸基金属-有机框架直接衍生的氮、硫共掺杂碳基纳米复合...

作者：赵康佳江苏大学

学位级别：硕士

具有转换反应机制的负极材料如过渡金属氧化物、硫化物等因其高的理论比容量,而成为锂/钠离子电池方面的关注的焦点。然而,其充放电过程中较大的体积变化及其低的电子电导率,导致其循环性能和倍率性能不足。碳材料修饰则被证明是解决这... 详细信息

具有转换反应机制的负极材料如过渡金属氧化物、硫化物等因其高的理论比容量,而成为锂/钠离子电池方面的关注的焦点。然而,其充放电过程中较大的体积变化及其低的电子电导率,导致其循环性能和倍率性能不足。碳材料修饰则被证明是解决这些问题的有效手段。基于此,本论文以含硫氨基酸为配体构建的金属-有机框架(MOFs)为前驱体,通过一步碳化得到氮、硫共掺杂碳基复合材料,并研究其锂/钠存储性能。论文的主要内容如下:(1)L-胱氨酸基MOFs直接衍生的氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物复合材料的制备及储钠性能研究。本章采用一种高效环保的制备方法合成系列碳包覆过渡金属硫化物材料。我们选用L-胱氨酸作为有机配体,分别与不同过渡金属离子(Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)在室温下络合,得到金属-胱氨酸络合物(M-cys)。M-cys经过一步碳化成功制备出系列氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物复合材料。通过该工艺制备的氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物复合材料,微观形貌均为核壳结构,其中核为100 nm的硫化物颗粒,壳为无定型碳。我们以FeS@氮、硫共掺杂碳为例,考察了其作为钠离子电池负极的电化学性能,研究了不同热处理温度对其电化学性能的影响。FeS@N,S-C-600具有更稳定的循环性能,经过200圈(电流密度为0.2 A g)的循环后,充放电比容量为689.7/701.8 mAh g,库伦效率为99.4%,且倍率性能出色。(2)L-蛋氨酸基MOFs直接衍生的氮、硫共掺杂碳包覆过渡金属硫化物材料的制备及储钠性能研究。本章选用L-蛋氨酸作为有机配体,分别与Co、Ni和Cu络合,得到金属-蛋氨酸络合物(M-met)。M-met经过一步碳化成功制备出系列氮、硫共掺杂、碳包覆过渡金属硫化物复合材料。该方法制备的复合材料具有明显的片状结构,且硫化物纳米颗粒外包覆有清晰的无定型碳。我们以Co-met衍生的CoS@氮、硫共掺杂碳为例,考察了其作为钠离子电池负极的电化学性能,并研究了不同热处理温度对其电化学性能的影响。结果表明CoS@N,S-C-600具有优异的循环稳定性,在经过150圈循环后,充放电比容量达到594.2/614.9 mAh g,且倍率性能较为出色。(3)锰-蛋氨酸框架直接衍生的氮、硫共掺杂碳包覆MnO/MnS复合材料的合成及储锂性能研究。本章选用L-蛋氨酸作为有机配体,与Mn进行络合,得到锰-蛋氨酸络合物(Mn-met),然后一步热处理得到氮、硫共掺杂碳包覆MnO/MnS复合材料,并将其用作锂离子电池负极材料。研究结果表明,热处理温度是影响材料物相、结构和电化学性能的决定因素。其中,MnO/MnS@N,S-C-700具有最为优异的电化学性能,在经过500圈的循环后,放电比容量保持在578.2 mAh g,且倍率性能出色。

关键词：锂/钠离子电池负极材料含硫氨基酸金属-有机框架过渡金属硫化物氮、硫共掺杂碳

静电纺丝制备ZIF-基氮掺杂多孔碳纳米纤维及储锂/钠性能研究

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静电纺丝制备ZIF-基氮掺杂多孔碳纳米纤维及储锂/钠性能研究

作者：冯曦东北师范大学

学位级别：硕士

近年来,金属锂资源的短缺阻碍了锂离子电池(LIBs)的发展,使得研究者对钠离子电池(SIBs)的兴趣越来越大。钠离子电池具有丰富的钠源和与锂离子电池类似的电池结构及工作原理,但是由于Li和Na半径不同,使得它们在电化学性能上有较大的差异... 详细信息

近年来,金属锂资源的短缺阻碍了锂离子电池(LIBs)的发展,使得研究者对钠离子电池(SIBs)的兴趣越来越大。钠离子电池具有丰富的钠源和与锂离子电池类似的电池结构及工作原理,但是由于Li和Na半径不同,使得它们在电化学性能上有较大的差异。负极材料是锂/钠电池成功开发的关键因素之一。在各种负极材料中,碳基负极材料因其资源丰富、成本低而备受关注。在本论文中,通过静电纺丝技术制备了PAN基碳纳米纤维(CNFs)和ZIF基氮掺杂多孔碳纳米纤维(N-PCNFs),证明了N-PCNFs材料具有多孔结构和较多的N原子掺杂。CNFs和N-PCNFs都可作为自支撑的负极材料,进行LIBs和SIBs的测试。在LIBs/SIBs测试中,N-PCNFs的储锂/钠性能高于CNFs,并且具有优异的倍率性能。在分别经过1000圈和600圈的长循环后,N-PCNFs材料的可逆比容量没有出现明显衰减,说明N-PCNFs具有良好的循环稳定性。电化学阻抗(EIS)的测试结果表明由于多孔结构的存在,N-PCNFs材料改善了离子的传输动力学。N-PCNFs材料中较多N原子掺杂和多孔结构的协同作用改善了该材料的导电性、提高离子传输动力学、缓解充放电过程中的体积膨胀,使N-PCNFs具有优异的储锂/钠性能和长循环稳定性。文章还探讨了碳化温度对N-PCNFs材料比表面积、孔径分布和N原子含量等的影响。且将不同碳化温度下的N-PCNFs分别用作SIBs的负极材料,以研究碳化温度对电化学性能的影响。结果表明N-PCNFs在碳化温度为700 C时具有较好的电化学性能。

关键词：碳纳米纤维负极静电纺丝氮掺杂锂/钠离子电池

中空核壳结构硫化铁/碳复合负极材料的可控构筑与性能研究

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中空核壳结构硫化铁/碳复合负极材料的可控构筑与性能研究

作者：陈宇苏州大学

学位级别：硕士

锂离子电池经过数十年的发展,至今已经取得了令人瞩目的成功,然而电动汽车以及各类便携电子设备的迅速普及对锂离子电池的能量密度与循环性能提出了新的更高的要求。另一方面,锂元素在地球上的储量有限,寻求锂离子电池替代物也成为了近... 详细信息

锂离子电池经过数十年的发展,至今已经取得了令人瞩目的成功,然而电动汽车以及各类便携电子设备的迅速普及对锂离子电池的能量密度与循环性能提出了新的更高的要求。另一方面,锂元素在地球上的储量有限,寻求锂离子电池替代物也成为了近些年来的研究热点,开发钠离子电池便是其中非常有前景的方向之一。在锂/钠离子负极材料研究中,铁基硫化物系列材料因为其较高的比容量(600-1000 mAh g-1,传统石墨材料:372 mAh g-1),无毒无污染,同时铁元素分布广泛储量充足等特点而受到科研学者的关注。但是这类材料的问题在于本身导电性差,且体积膨胀效应严重从而易导致材料粉化,进而影响了其循环与倍率性能。针对这些问题,本文中通过将铁基硫化物与碳材料通过不同方式复合,进行性能改善,显著提高了铁基硫化物材料的储锂/钠性能,同时还以工业制硅废料为原料制备得到可用于电池电极的硅/氧化亚硅材料并进行了一系列简单探索。具体工作如下:1)通过简单的水热方法,分别在碳纳米管与碳微球两种基底外围包覆一层三价铁离子,接着通过与硫粉在高温下煅烧,便得到了一种中空且具有核壳结构的碳基底/硫化亚铁的复合材料。通过表征分析,我们发现这种材料分布均匀,有明显的中空结构。得益于这些优点,这种复合材料在电池性能测试中展现出了近1000 mAh g-1的实际容量,以及很好的倍率性能(20C下容量仍有500 mAh g-1)。2)在上一个工作的基础上,我们将这种制备思路应用到了硒化亚铁的制备中,相关表征手段表明这种碳/硒化亚铁有着与碳/硫化亚铁相似的中空和核壳结构,且具有较大的比表面积。将其应用到锂离子电池负极材料并测试,这种复合材料同样展现出高比容量,以及稳定的倍率性能,此外这种碳/硒化亚铁还有着非常明显的充放电平台,具有非常好的应用前景。3)采用自下而上的合成思路,先是合成一种中空的硫球材料,接着在其外围同样包覆一层三价铁离子,然后再包覆一层聚多巴胺碳层,最后经过高温煆烧,我们便获得了一种具有空心结构的硫化亚铁/碳包覆复合材料,在此过程中,硫球既作为了中空模板又作为了煅烧过程的硫源。我们通过多种表征方法直观地验证了这一结构,随后将这种复合材料用于钠离子电池的负极材料。电池在200圈后仍保持了 420mAh g-1的稳定容量,倍率测试中,在20C下的容量保持率也在50%以上,展现了卓越的储钠性能。4)本章工作以实际生产应用为出发点,简单探索了不同硅源对于电池性能的影响。首先是通过单晶硅,多晶硅和无定形硅三种来源于工业边角料的不同结晶度的硅源之间的横向对比,探索出了硅材料的结晶度对循环稳定性的影响,然后是通过镁热反应将二氧化硅工业废料还原至氧化亚硅材料并应用于锂离子电池中,初步探究这种材料的再次利用价值。

关键词：锂/钠离子电池中空结构核壳结构硫化铁碳复合硅材料

铁基功能化纳米复合材料的构建及其在电化学储能中的应用研究

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铁基功能化纳米复合材料的构建及其在电化学储能中的应用研究

作者：张涵西南大学

学位级别：硕士

随着越发突出的环境问题以及清洁能源和电子设备的迅速发展,开发高效,绿色,安全,低廉的电化学储能系统已成为当前的研究热门。在电化学储能领域中,铁基材料备受人们的青睐,与其它镍元素,钴元素,锰元素,钒元素等相比较,铁元素不仅在大自... 详细信息

随着越发突出的环境问题以及清洁能源和电子设备的迅速发展,开发高效,绿色,安全,低廉的电化学储能系统已成为当前的研究热门。在电化学储能领域中,铁基材料备受人们的青睐,与其它镍元素,钴元素,锰元素,钒元素等相比较,铁元素不仅在大自然中含量丰富,而且具备无毒性和环境友好性。铁基纳米材料在水系电池、锂/钠离子电池中,都能表现出较优异的储能特性,尤其是在高容量电化学存储方面,使其在科学研究中具有极大的实际应用前景。但是,铁基纳米材料在储能过程中高容量的实现必然是基于Fe/Fe的3电子可逆氧化还原反应;电化学反应中多电子的转移会不可避免地引发相变转化,造成体积巨大膨胀和极化现象的产生,进而导致其容量快速衰退和循环稳定性恶化。如何巧妙地设计和制备出低成本、高容量和长使用寿命的铁基电极材料已成为了当前科学研究的挑战性问题。本论文采用低廉的前驱体和简单易行的实验步骤,得到了纳米铁基电极材料(Fe,FeN),并对其电极材料形成机理进行了微观检测和讨论分析;进一步地,把Fe,FeN电极材料分别运用于水系电池和锂/钠离子电池体系中,并探究其潜在实用价值。主要研究内容如下:1.利用铁锈为原料制备的FeO纳米球为前驱体,采用聚多巴胺均匀包覆在其表面(FeO@PDA;PDA厚度大约为30 nm)。接着,在热处理过程中生成高膨化铁(?)碳纳米爆米花(Fe(?)C nanopopcorns)复合材料。不同煅烧温度下的探究实验揭示了该复合材料的形成机制,当温度为700 C时,前驱体FeO被还原成Fe,同时引起了类似爆炸的物化反应,使得紧密包覆的碳壳转化为相互交联的疏松状碳结构。当进行电化学能量储存研究时,该高膨化复合材料表现出优异的电化学性能,这主要归因于该材料具有较大的比表面积,高度疏松/开放性的结构和电子高导通特性。通过上述实验结果表明,该复合材料具备高容量,快速充放电,使用寿命长等特性,适宜水性电池深入研究与规模化应用。2.同样利用废铁锈合成的FeO纳米球为原料,采用废弃塑料为碳源,仅通过一步简单的化学气相沉积(CVD)方法就能成功原位地合成Fe@C核壳纳米复合材料,并将其用作水系镍铁电池负极材料进行电化学性能研究。该复合材料具有以下两点优势:第一,比其它铁基材料相比较,金属单质Fe的理论比容量和电化学活性更高;第二,所形成的特殊核壳结构中,碳层能有效缓解内部活性物质Fe在反应过程中的体积膨胀效应,故在电化学测试中表现出较优异的能量存储性能。实验中所涉及的原料均为废弃物,不仅实现了废物回收利用降低环境污染,而且成功地实现了高性能水性负极材料的规模化制备。3.采用上述的Fe@C纳米复合物为原料,以廉价的尿素为氮源,在加热条件下原位制备了FeN@C核壳纳米复合材料。当其用于锂/钠离子电池负极材料时,复合材料中FeN内核本身具有较高的理论比容量和导电性,因此电极能表现出较高的可逆比容量和优异的倍率性能。此外,核壳结构中的碳层能充当物理屏障,有效地抑制反应过程中活性物的膨胀效应,同时保证了FeN在储锂/钠过程中的循环稳定性。为了证明该负极材料潜在的实际应用价值,我们分别选用廉价的锂电正极材料Li Fe PO和钠电正极材料NaV(PO)@C组装成锂/钠离子全电池,并进一步进行电化学性能研究。

关键词：铁基复合材料水性电池锂/钠离子电池电化学能量存储