碳基复合材料的制备及其用作锂_钠离子电池负极材料的研究

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1、分类号:O614学校代码：10697密级:公开学号：201510131碳基复合材料的制备及其用作锂/钠离子电池负极材料的研究学科名称：材料化学作者：王秀娟指导老师：王惠教授西北大学学位评定委员会二〇一八年五月PreparationofCarbonBasedCompositesandtheirApplicationsasAnodeMaterialforLithium/SodiumionBatteriesAdissertationsubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequi

2、rementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMaterialsChemistryBy:WangXiujuanSupervisors:WangHuiProfessorMay2018摘要摘要可充电锂离子电池由于具有高的能量密度、长的循环寿命以及环境友好等优点而被广泛的应用在电动汽车、电子产品以及储能装置中。然而，地球上金属锂的储备有限且分布不均，这从客观上限制了锂离子电池未来在储能电池领域的大规模应用。近期，电化学性能与锂离子电池相似的钠离子电池引起了研究者们的广泛关注，这主要是因为金属钠储量丰富、分布广泛且价

3、格低廉。但是，锂离子电池和钠离子电池负极材料依然存在很多共同问题，如普遍存在导电性能较差以及体积膨胀等问题。因此，本论文主要从电极材料的组成、结构以及形貌进行可控设计，利用碳基材料对已有电极材料进行改性，得到碳基复合电极材料，并对其储锂/钠性能进行研究，主要研究内容如下所示：(1)利用高温热分解成功地得到CNTs内填充Fe3O4纳米粒子的复合材料(Fe3O4@CNT)。由SEM和TEM图谱可知，CNTs内腔中的Fe3O4纳米粒子呈立方体形状且无任何团聚现象。该结构的设计可有效阻止活性材料的团聚以及缓解充放电过程中引起的体积膨胀。当用作锂离子电池

4、负极材料时，Fe3O4@CNT纳米复合−1材料表现了优秀的循环稳定性和高的比容量，在电流密度为1Ag条件下，200个−1循环之后，其比容量高达720mAhg。当用作钠离子电池负极材料时，Fe3O4@CNT−1电极在电流密度为0.1Ag条件下300次循环之后，其可逆比容量仍可达到377–1mAhg。该材料的合成路线以及结构的设计可用于拓展制备一系列高性能的锂/钠离子电池负极材料。另外，我们以商业化的LiCoO2为正极，Fe3O4@CNT为负极组装了全电池，并显示了优秀的电化学性能。(2)利用水热反应、碳包覆、磷化以及碳化反应成功地制备3D石墨烯包

5、裹空心FeP@C纳米复合材料(H-FeP@C@GR)。这种三维网状结构可以缓解脱嵌锂/钠过程++中的体积膨胀，还可为Li/Na的嵌入提供更多的活性位点。基于以上优点，H-FeP@C@GR纳米复合材料作为储锂/钠负极材料时，均表现了高的比容量、良好的循环性以及倍率性能。另外，我们通过水热以及磷化反应制备了分级结构的N-掺杂空心碳纤维@FeP复合材料(HCNFs@FeP)，并对其电化学性能进行了系统研究。(3)以SiO2为原料，通过简单的镁热还原方法制备了3D-Si/GR复合材料。SEM和TEM结果表明，3D-Si/GR复合材料具有三维内连接大孔网

6、状结构，这种大孔网I西北大学博士学位论文状结构是由HF刻蚀未反应的SiO2得到的。当用作锂离子电池负极材料时，3D-Si/GR−1复合材料在电流密度为0.2Ag的条件下，循环100圈后，其可逆比容量仍可达到−1888mAhg。3D-Si/GR复合材料所表现的优秀的电化学性能归因于Si网状结构与石墨烯的协同作用相关。(4)通过一步水热方法制备了具有三维网状结构的NiS-GNS-CNT凝胶。SEM和TEM结果表明，尺寸为150~250nm的NiS纳米颗粒随机分布于GNS-CNT形成的导电网络结构中。在该3D网络结构中，具有高导电性以及大比表面积的G

7、NS-CNT+网状结构在增强NiS颗粒导电性的同时还可有效阻止Li嵌入/脱出过程中NiS颗粒−1的团聚。当用作锂离子电池负极材料时，在电流密度为0.5Ag条件下，350圈循−1环之后，其比容量高达732mAhg。更重要的是，与商业LiCoO2正极材料组装成全电池后，NiS-GNS-CNT//LiCoO2全电池仍表现出优秀的电化学性能。关键词:碳基复合材料，负极材料，锂离子电池，钠离子电池IIABSTRACTABSTRACTRechargeablelithiumionbatteries(LIBs)havebeenwidelyusedinelect

8、ricvehicles,portableelectronicsandstationaryenergystorageduetotheiradvantag