摘要：锂离子电池是目前使用最广泛的储能器件,也是储能领域最受关注的研究热点。负极作为电池的关键材料,对电池...锂离子电池是目前使用最广泛的储能器件,也是储能领域最受关注的研究热点。负极作为电池的关键材料,对电池的电化学性能有着至关重要的影响。目前锂离子电池商用负极材料为石墨材料,但石墨材料理论比容量较低,且存在一定安全隐患。此外,传统石墨材料并不适用于钠离子电池,因此亟需寻找能与之匹配的高性能负极材料。基于此背景,研究人员将重点集中在转化-合金型负极材料上。由于具有高的理论比容量和独特的二维层状结构优势,锡基硫化物（SnS2和SnS）得到了广泛的研究。但由于其在充放电过程中易发生巨大的体积膨胀效应,导致锡基硫化物循环性能极差。因此,本论文的研究工作将致力设计和开发可显著提高SnS2和SnS在作为锂/钠离子电池负极材料时的循环寿命的有效策略,从而改善SnS2和SnS的储锂/储钠性能。三部分研究工作摘要如下:1.提出了一步法烧结合成锂离子电池SnS基负极材料新策略,得到的自支撑式电极,可直接用作负极组装电池。采用低成本,高吸水性滤纸作为碳纸基底前驱体,滤纸经碳化后保留了三维碳纤维结构,可促进电荷及离子转移;葡萄糖经碳化后形成碳保护层,可抑制SnS在循环过程中的体积膨胀。所得材料在0.5 A g-1电流密度下充放电循环200圈后可逆容量为696.2 mAh g-1,在大倍率(2.0 A g-1)下可逆容量仍可达到562.3 mAh g-1。该方法简单易行,成本低廉,具有一定的实际应用价值。2.以SnS2作为研究对象,提出了一种有效延长转化-合金型锂离子电池负极材料循环寿命的新策略。通过对二氧化钛纳米管阵列进行氢气烧结处理,增加其表面氧空位浓度,从而提升SnS2与TiO2之间的化学结合力。并在SnS2表面包覆聚吡咯层以抑制体积膨胀。所得到的H-TiO2@SnS2@PPy具有极佳的循环性能,在2.0 A g-1下循环2000圈后可逆容量仍有508.7 mAh g-1,容量保持率高达89.7%。结合第一性原理计算结果和实验结果可以证明TiO2氧空位浓度的增加可促进其与SnS2的化学结合力,从而大幅延长SnS2负极材料的循环寿命。3.提出简易有效的一步烧结法合成长寿命SnS2/三维氧化还原石墨烯钠离子电池负极材料的新策略。通过对石墨烯表面进行电荷修饰,使其可与SnS2前驱体溶液中的络合离子以静电作用力结合,以实现SnS2纳米颗粒在石墨烯网络中的均匀分散。所得到的SnS2@3DRGO复合材料表现出优异的循环性能和倍率性能。在2.0 A g-1电流密度下循环700圈后,比容量仍保持在401.1 mAh g-1,容量保持率达75.4%。在1.0、2.0、3.0和5.0 A g-1电流密度下的可逆容量分别为608.6、540.9、502.7和449.3 mAh g-1。综上所述,本论文工作为制备低成本,长寿命和高容量的锂离子电池与钠离子电池锡基硫化物（SnS2和SnS）负极材料提供了新的策略和思路。更多还原显示全部
摘要：钠离子电池一直被视为是应用广泛的锂离子电池的下一代储能电池,无论锂离子电池还是钠离子电池,碳/碳基材料...钠离子电池一直被视为是应用广泛的锂离子电池的下一代储能电池,无论锂离子电池还是钠离子电池,碳/碳基材料是作为负极材料的关键材料之一,而生物质材料,如过期的花粉和废弃的棉花均是生活废弃物,由于来源广泛,成本低廉并能循环利用能使其再资源化,达到对环境友好的目的。多种生物质材料已经被研究并应用于锂离子电池和钠离子电池中,在本文,使用氢氧化钾和硝酸镁作为活化剂分别对废弃的花粉和棉花球高温活化、碳化处理,均获得具有较大比表面积的三维多孔碳材料。以花粉为前驱体制备三维结构生物质碳的实验中,氢氧化钾与花粉生物质原料的最佳质量比例为2:3。作为锂离子电池负极电极材料,在2 A g-1的恒电流密度下进行300次循环充放电后比容量为375 mAh g-1;在0.1,0.5,1.0,2.0,5.0 A g-1电流下进行倍率测试,得到可逆容量分别为500,350,293,250,215 mAh g-1。作为钠离子电池负极电极材料,在2.0 A g-1的恒电流密度下充放电200圈,得到270 mAh g-1的比容量;在0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,5.0 A g-1电流下进行倍率性能测试分别获得270,260,245,230,215,197 mAh g-1的比容量。以棉花为前驱体,经过硝酸镁活化和高温碳化处理后得到薄片状三维结构多孔碳材料,经过硫、氮共掺杂处理后获得性能更为优异的碳材料。作为锂离子电池负极电极材料的循环充放电测试中,在0.2 A g-1的电流密度下,循环150次后能达到1101.1 mAh g-1的可逆容量;在10.0 A g-1的电流密度下循环5000次能保持531.2 mAh g-1的可逆容量,而倍率性能测试中在0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,5.0 A g-1的恒电流下可得到1443,1035,954,884,802和689 mAh g-1的可逆容量。在钠离子电池充放电测试中,氮原子、硫原子共掺杂材料在1.0 A g-1的电流密度下循环200次能得到410 mAh g-1的可逆容量,在2.0 mAh g-1的电流密度下循环600次能保持351.1 mAh g-1的容量,倍率性能测试在0.1,0.5,1.0,2.0,5.0和10.0 A g-1电流下达到505,430,400,360,320,219 mAh g-1的可逆容量。这项工作为制备廉价、高性能的锂离子电池和钠离子电池负极生物质碳材料提供一个新的思路和可能。更多还原显示全部
摘要：锂离子电池因具有储能容量大、安全性好、环境友好、自放电率低和无记忆效应等优点，已成为新能源汽车首选...锂离子电池因具有储能容量大、安全性好、环境友好、自放电率低和无记忆效应等优点，已成为新能源汽车首选动力源之一。然而传统的碳负极材料难以满足动力电池高能量密度和安全性的需求，研发新的负极材料是锂离子动力电池的研究热点。其中硅负极材料和过渡金属氧化物、硫化物因储锂理论容量高备受关注，但在充放电时体积膨胀严重，导致材料从集流体上粉化、脱落，从而影响材料的循环稳定性。针对以上原因，本文设计合成了两种掺杂改性FeCO3负极材料：鸡冠花状MnxFe1-xCO3负极材料、Mn0.2Fe0.8CO3/rGO复合材料，以及三个体系竹炭基复合负极材料：Fe2O3/竹炭、MoS2/竹炭和竹炭源硅碳复合材料。并采用一系列表征和测试方法对材料的形貌、结构和储锂性能进行了系统地分析和研究。 以硫酸亚铁、硫酸锰和碳酸锂为原料，十二烷基硫酸钠(SDS)为表面活性剂，抗坏血酸为还原剂，通过水热法制备了鸡冠花状掺杂MnxFe1-xCO3负极材料，并考察了锰离子掺杂量对碳酸亚铁结构和储锂性能的影响。XRD和XPS结果表明适量锰离子掺杂不会明显改变碳酸亚铁相位结构。SEM图片显示MnxFe1-xCO3负极材料呈鸡冠花状且存在大量的隧道结构。电化学性能结果表明，当掺杂量 x=0.2时，制备的Mn0.2Fe0.8CO3纳米材料表现出最优的电化学性能：材料在0.05~3.0 V，200 mA g-1条件下循环100次后可逆容量仍稳定在904 mAh g-1，在1600 mA g-1电流密度下放电比容量仍能达到373 mAh g-1。 用改善的Hummer方法制备了氧化石墨烯(GO)，然后以 GO为基底，以硫酸亚铁、硫酸锰和碳酸锂为原料，抗坏血酸为还原剂，采用一步水热法制备了Mn0.2Fe0.8CO3/rGO复合材料，并考察了掺杂锰离子和复合石墨烯对材料电化学性能的影响。从SEM和TEM图可观察到颗粒状的过渡金属碳酸盐均匀地负载在片状石墨烯上。电化学性能测试结果表明，石墨烯负载和锰离子掺杂双重作用下制备的Mn0.2Fe0.8CO3/rGO复合材料表现出优异的电化学性能：该材料在0.05~3.0 V，200 mA g-1下的首次放电比容量达1724 mAh g-1，循环120次后容量仍保持在1223 mAh g-1，在1.6 A g-1电流密度下放电比容量保持在613 mAh g-1。 对商业竹炭分别通过硝酸镍催化和浓硝酸活化后，制得改性竹炭。然后以氯化铁为铁源，通过沉淀法在改性竹炭表面沉积FeOOH纳米颗粒，再经过高温煅烧后制得Fe2O3/竹炭复合材料。对比 SEM结果发现竹炭改性前后，孔道结构发生了一定变化,孔道中杂质被清理干净；在Fe2O3/竹炭复合材料中，直径为80~100 nm的Fe2O3颗粒均匀分布在改性竹炭表面。Fe2O3/竹炭复合材料表现出良好的电化学性能：在0.01~3.0 V，200 mA g-1条件下的首次放电比容量达1799 mAh g-1，循环150次后容量仍保持在1094 mAh g-1，在1600 mA g-1电流密度下可逆容量仍能达到765 mAh g-1。 以钼酸铵和硫脲为原料，通过水热法在改性竹炭表面负载MoS2，制得MoS2/竹炭复合材料，并探究了MoS2负载量对复合材料结构和性能的影响。SEM结果表明片状MoS2均匀负载在改性竹炭表面。电化学性能优化实验结果得出，MS-2样品表现出最优的电化学性能：在0.01~3.0 V，200 mA g-1条件下的首次放电比容量达1867 mAh g-1，循环200次后可逆容量保持在672 mAh g-1，当电流密度为1600 mA g-1时放点比容量仍能达到581 mAh g-1，且具有良好的循环稳定性。 以商业竹炭为生物硅源，通过酸洗、高温煅烧和镁热还原等制备了具有多孔结构的纯硅材料，然后以聚丙烯腈(PAN)为碳源，通过液相包覆和高温碳化法在竹炭源硅材料表面负载一层无定形碳，制备得到硅碳复合材料，并优化了多孔硅含量对材料结构及电化学性能的影响。测试结果表明，以竹炭为硅源和 PAN包覆层碳化制备的硅碳复合材料形成的多孔结构和碳层能有效地缓冲硅碳复合材料的体积变化，使材料具有稳定地循环性能和倍率性能。其中 SP15复合材料表现出最优的循环储锂性能，在200 mA g-1电流密度下循环120次后，放电比容量保持在603 mAh g-1，当电流密度增大到1600 mA g-1时，材料的可逆容量仍能达到360 mAh g-1，且具有良好的循环稳定性。显示全部
