【摘要】：具有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及寬廣的工作溫度范圍等特點的氮摻雜多孔炭材料是理想的鋰硫電池的載硫基質(zhì)材料和超級電容器的電極活性材料。然而滿足二者要求的高比表面積、高氮含量且具有合適孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜多孔炭材料面臨著制備過程復(fù)雜和原料成本高昂等一系列問題。針對上述問題,本論文采用KOH活化尿素與蔗渣的混合前驅(qū)體制備氮摻雜多孔炭材料,考察實驗因素對制備的材料的影響因素并詳細(xì)研究制備的材料的物理性能與電化學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián),以尋求一種環(huán)保、廉價的可用于鋰硫電池與超級電容器的高性能氮摻雜多孔炭材料的高效合成路線。本文的主要研究工作如下:(1)考察并分析了浸漬時間、活化溫度以及前驅(qū)體原料比例等條件對KOH活化尿素和蔗渣前驅(qū)體制備的氮摻雜多孔炭材料的性能影響。(2)考察了不同原料比例制備的氮摻雜多孔炭材料作為超級電容器電極活性材料的電化學(xué)性能,并分析了材料物理性能與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)。(3)考察了不同載硫量的“硫/氮摻雜多孔炭”復(fù)合材料作為鋰硫電池電極材料的電化學(xué)性能,并分析了造成電化學(xué)性能不同的影響因素。通過實驗研究,得出以下結(jié)果/結(jié)論:(1)浸漬時間的改變可以改變活化劑在尿素與蔗渣混合前驅(qū)體中的分散程度,從而可以調(diào)控所制備的氮摻雜多孔炭材料的比表面積、孔體積、含氮量和孔徑分布。(2)溫度的升高可以提高活化劑刻蝕效應(yīng)與高溫碳燒失效應(yīng),因此選擇800 ~oC條件下制備氮摻雜多孔炭材料。(3)KOH與尿素的比例改變大大改變制備所得的氮摻雜多孔炭材料的氮含量、比表面積和孔結(jié)構(gòu)等一系列物理性能,因此在碳源(蔗渣)量一定的情況下,選擇合適的KOH和尿素比例對制備理想的氮摻雜多孔炭材料至關(guān)重要。(4)通過對不同實驗條件制備的氮摻雜多孔炭材料的電化學(xué)性能研究表明,在活化溫度為800 ~oC,蔗渣、KOH和尿素的質(zhì)量相同時制備的氮摻雜炭材料(KNCb-111)具有較好的電化學(xué)性能。在三電極體系下,該材料在1 M H_2SO_4、6 M KOH和2 M Li_2SO_4電解液中的比容量分別為350.8、310.9和259.5 F g~(-1)。基于該材料組裝的對稱電容器在2.0 V的工作電壓和功率密度為20 kWk g~(-1)條件下,其比能量密度高達39.1 Wh kg~(-1),而且,該電容器在10 A g~(-1)的電流密度下循環(huán)10000圈后,其容量保持率達到95.5%。(5)將制備的KNCb-111作為載硫基質(zhì)材料,制備載硫量分別為50%和70%的兩種“硫/氮摻雜多孔炭”復(fù)合材料(KNCb-111-S50%和KNCb-111-S70%)。電化學(xué)測試結(jié)果表明,KNCb-111-S50%表現(xiàn)出更好的性能。在0.5、1、2和4 C電流密度下,該材料的放電比容量分別為1367.5、975.2、810.7以及705.8 mAh g~(-1)。在0.5 C電流密度下循環(huán)300圈后,其容量仍然有819.2 mAh g~(-1),表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能。綜上所述,本論文探究了制備條件對氮摻雜多孔炭材料的組成、孔結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能影響,為蔗渣制備高品質(zhì)雜原子摻雜碳基電極材料提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
【圖文】：

料制備方法研究的熱點方向之一。池概述池（Lithium-sulfurbattery），是一種以鋰為負(fù)極活性材料，硫鋰電池中的一種。其中作為正極活性材料的硫單質(zhì)所具有的良好的熱穩(wěn)定性[6]。而更重要的是，，在充放電過程中 S8分子著巨大的能量變化，這就使得硫具有極高的理論比能量密度并且在充放電過程中每個 S2-可以轉(zhuǎn)移兩個電子儲能效率遠此之外活性物質(zhì)硫本身無毒、廉價且在自然界廣泛存在。這保、高效的新型儲能設(shè)備。池的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理

圖 1-2 鋰硫電池中的電化學(xué)反應(yīng)過程圖極在放電過程中的反應(yīng)理論上分為如下的 4 個反應(yīng)階段。段 1 的反應(yīng)如下公式（1-1）至（1-5）所示S + 2e → S 2S + 6e → 2S + S S + 4e → S + S S + 4e → S + S S + 4e → S + S 段 2 的反應(yīng)如下公式（1-6）至（1-12）所示S + 2e → S + S S + 2e → S + S S + 2e → S + S
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.4

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本文編號：2704863