本文選題：摻氮定向碳納米管　切入點：氧化鎳　出處：《湖南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：鋰離子電池憑借能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小、無污染、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點,成為新一代綠色環(huán)保電池。截止目前,鋰離子電池已被廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子器件,正逐步推廣應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車中。但受比容量、倍率性能的限制,現(xiàn)有商用鋰離子電池的性能,已經(jīng)無法滿足當(dāng)前社會對它的高容量高倍率性能的需求。因此,研究者開展了改善鋰離子電池性能的研究。碳納米管以其優(yōu)越的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能成為物理、化學(xué)和材料科學(xué)研究的熱點。碳納米管本身所具備的較大比表面積和優(yōu)越導(dǎo)電性,使其在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的潛在應(yīng)用價值。對于儲氫和儲鋰為基礎(chǔ)的能源科學(xué)而言,碳納米管在吸附、催化和儲能等方面表現(xiàn)出的應(yīng)用價值,使其成為較理想的電極基體材料。在本論文中,控制合成了摻氮定向碳納米管,并以此為框架,分別與氧化鎳、二硫化錫以及硫復(fù)合形成三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,并考察其作為鋰離子電池和鋰硫電池電極材料的儲鋰性能,主要研究內(nèi)容如下:采用浮動催化法熱解不同濃度的二甲苯/環(huán)己胺混合碳源,通過調(diào)整碳源中二甲苯和環(huán)己胺的比例,制備出具有不同結(jié)構(gòu)、形貌,以及不同氮含量的碳納米管陣列。在分析氮摻雜量對碳納米管陣列結(jié)構(gòu)形貌影響的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了摻氮定向碳納米管(NACNTs)陣列的可控制備,并考察了氮摻雜量對NACNTs陣列儲鋰性能的影響。結(jié)果表明環(huán)己胺含量為35%時制備的NACNTs定向性好、管徑大、放電比容量最高。通過噴霧法制備NACNTs/NiO復(fù)合材料,研究了噴霧時間對產(chǎn)物的影響。實驗結(jié)果表明:隨著噴霧時間延長,NACNTs表面沉積的NiO顆粒數(shù)目逐漸增多,直至NiO顆粒在NACNTs表面出現(xiàn)團聚。此外,還考察了不同NACNTs含對量復(fù)合材料的儲鋰性能的影響。研究顯示:當(dāng)NACNTs的含量為31.9%時,NACNTs/NiO電極所產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)使其表現(xiàn)出極好的電化學(xué)性能。具體表現(xiàn)在較高的放電比容量(0.1 C倍率下,7次循環(huán)之后,放電比容量保持在620 mAh g~(-1))、良好的循環(huán)穩(wěn)定性(0.5 C倍率下,50次循環(huán)之后,比容量為600 mAh g~(-1))以及較好的倍率性能(2 C倍率下,比容量保持率為55.8%)。通過簡單的水熱法制備純SnS_2、CNTs-SnS_2復(fù)合材料,采用噴霧法制備NACNTs-SnS_2復(fù)合材料,比較了不同CNTs含量對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的影響。電化學(xué)性能測試表明:相比于CNTs-SnS_2復(fù)合材料和SnS_2,NACNTs-SnS_2復(fù)合材料在放電比容量及循環(huán)穩(wěn)定性等方面均有較大提高。同時,嘗試探討了NACNTs對SnS_2儲鋰性能改善的原因。研究表明:當(dāng)NACNTs的含量為32.8%時,NACNTs-SnS_2電極所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)使其表現(xiàn)出極好的電化學(xué)性能。具體表現(xiàn)在:(50 mA g~(-1)的電流密度下,第7次循環(huán)樣品NACNTs-SnS_2-20的放電比容量為645mAh g~(-1)),更好地循環(huán)穩(wěn)定性能(在100 mA g~(-1)的電流密度下,充放電50次,NACNTs-SnS_2-20的放電比容量為551 mAh g~(-1))以及更優(yōu)的倍率性能(在1000 mA g~(-1)的電流密度下,NACNTs-SnS_2-20放電比容量和容量保持率為別為287 mAh g~(-1)和44.5%)。采用KOH活化刻蝕NACNTs管壁,打開其內(nèi)腔,通過調(diào)整KOH/NACNTs比值,制備出一系列分級多孔摻氮定向碳納米管陣列(HPNACNTs)。研究表明當(dāng)KOH/NACNTs=5時,所制備的HPNACNTs具有最大的比表面和孔容,分別為292.2m~2g~(-1)和0.37cm~3g~(-1)。以這一系列分級多孔HPNACNTs為導(dǎo)電載體,采用熔融浸漬法制備出HPNACNTs/S復(fù)合材料。并在此基礎(chǔ)上考察了硫負(fù)載量對材料電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)KOH/NACNTs=5,硫負(fù)載量為68%時復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的比容量(0.1 C倍率下,首次放電比容量高達1340 mAh g~(-1)),良好的循環(huán)穩(wěn)定性(0.2 C倍率下200次循環(huán)之后放電容量仍有979 mAh g~(-1)),以及很好的倍率性能(5 C倍率下比容量為817 mAh g~(-1))。
[Abstract]:In this paper , the effect of nitrogen doping on the properties of lithium - ion batteries has been studied . The results show that the carbon nanotubes have a high specific surface area and excellent electrical conductivity , which can be used in electric vehicles and hybrid vehicles . The results show that the carbon nanotubes have a high specific surface area and excellent conductivity . The specific capacity was maintained at 620 mAh g ~ ( -1 )) , good cycle stability ( after 50 cycles at 0.5 C ) , 600 mAh g ~ ( -1 ) specific capacity , and better rate performance ( 55.8 % specific capacity retention at 2 C rate ) . The effect of different CNTs content on the structure and morphology of SnS _ 2 composite was investigated . The results showed that when the content of Ni - S _ 2 - SnS _ 2 - 20 was 645mAh g ~ ( -1 ) , the capacity and capacity of the composite were measured at the current density of 100 mA g ~ ( -1 ) . The results showed that the capacity and capacity of the composites were 292.2m ~ 2g ~ ( -1 ) and 0.37cm ~ 3g ~ ( -1 ) respectively .

【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB33

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本文編號：1702179