隨著霧霾、溫室效應等環(huán)境惡化問題的日益加劇,世界各國迫切需要轉變當前以化石燃料為主的能源消耗方式。鋰離子電池作為新能源儲能器件應用及研究方向的熱點,負極材料是決定其性能的關鍵部件之一。目前的負極材料以碳材料為主,但比容量低、倍率性能差的缺點,制約了其作為清潔能源進一步的應用和發(fā)展。采用氮原子對碳材料進行摻雜,能夠有效提高碳材料的導電性和表面活性,改善碳材料的電化學性能。目前常用的摻雜方法存在氮源難以有效利用、摻雜濃度低等缺陷。本課題為改善這些缺點,研究了新型的摻雜工藝,利用密閉系統(tǒng),在高溫下實現(xiàn)碳材料中氮元素的摻雜,有效防止了氮元素的流失,提高了氮摻雜濃度。主要研究內容及結果如下:使用氮、碳元素比達到1:4,并且低毒、易分解的吡咯作為前驅體,在密閉腔體中制備氮摻雜碳材料。研究了反應溫度、前驅體量、保溫時間對所制備氮摻雜碳材料形貌、結構、氮摻雜濃度和摻雜狀態(tài)的影響。結果表明,隨著反應溫度的升高,材料由不規(guī)則的顆粒變?yōu)榫哂辛己眯蚊驳那驙钐疾牧?氮摻雜濃度雖然逐漸降低到4.56%,但依然處于一個比較好的摻雜水平。隨著前驅體量的增加,材料由無序的粉末狀變?yōu)榫哂辛己眯蚊驳那驙铑w粒,同時,氮摻雜濃... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

摻雜氮原子在碳骨架中的存在形式

度可以使周圍的碳原子被活化，強化電子在電極材料內部的輸運，使游離解液中的離子更易受到吸附，所以，雙電層濃度會得到增強，雙電層電容得到一定程度的提高[26]。另一方面，氮元素的摻雜還能提高碳材料的潤濕親水性極化位點會因摻雜的氮元素而提高，從而使電化學反應時電解液和材料能夠充分潤濕、接觸，提高有效的電化學反應區(qū)域，同時，電解液離材料內部孔洞中的擴散阻力也會減小，兩種作用共同作用，從而使材料比得到提高[27]。Seredych 與其團隊[28]，使用一種含有硫、氮的前驅體，成產(chǎn)出一種硫、氮共摻雜的納米尺度的多孔碳，并發(fā)現(xiàn)其有部分石墨化現(xiàn)象過測試，其比容量高達 450 F g-1，盡管其比表面積與其他研究者所開發(fā)的接近的材料相比并不突出，經(jīng)過測試只達到了 850 m2g-1。其所給出的性異的解釋是，硫、氮元素的摻雜在碳材料表面引入了大量活性官能團，在其表面潤濕性方面發(fā)揮了重要作用，從而讓電解液中的離子更易于和電極發(fā)生有效接觸，使孔隙表面的活性點位增加，因此在比表面積較小的情況提高了有效比表面積，獲得了較大的比容量。

離子只能插入在石墨層間相間的位置，即形成 LiC6，所以，可以據(jù)此算出，理想石墨晶體的理論容量即等于 372 mAh g-1。同時，原本 0.335 nm 的石墨層間距，也會因鋰離子的插入擴展至 0.370 nm[32]。然而，后期研究者在研究熱解碳、硬碳等無定型碳材料時，獲得的的比容量遠遠超過 372 mAh g-1，典型的鋰離子插層機理顯然已不再適用。于是，分子貯鋰機理、微孔貯鋰機理和石墨亂層吸附機理等模型被逐漸提出并接受。Sato 及其研究小組[33]認為，除了在石墨層間存在著鋰離子插層外，插入碳材料中的鋰離子還會形成“鋰分子”，貯存在石墨層間，如圖 1-4 b)，使其容量值大于理論值。Menachem 及其研究小組[34]認為，在缺陷比較多的孔洞型碳材料中，鋰離子還會形成團簇，儲蓄在碳材料的微孔中，如圖 1-4 c)，嵌入時，石墨層間的插鋰和碳材料中微孔對鋰離子簇的吸附幾乎同時進行，而脫嵌時，鋰離子會優(yōu)先從石墨層間脫出，然后再從微孔中脫附，其稱這種過程為鋰離子微孔貯存機理。Wang 及其研究小組[35]提出了石墨亂層吸附模型，指出，在缺陷很多的碳材料中，亂層的石墨層中，每層石墨兩側均可吸附鋰離子，而石墨層間的微孔也會同時吸附鋰離子簇，如圖 1-4 d)，使其比容量超過理想石墨晶體的理論比容量。a) b)


本文編號：3293643