本文選題：鋰離子電池　切入點(diǎn)：鈉離子電池　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：為了保證航天器的各種儀表設(shè)備正常運(yùn)行,需要航天電源系統(tǒng)支持�；瘜W(xué)能源是航天電源系統(tǒng)的重要組成部分,其包括各種離子電池和燃料電池。針對(duì)復(fù)雜的空間環(huán)境,化學(xué)能源目前主要的研究重點(diǎn)之一是開發(fā)高容量、高穩(wěn)定性電池電極材料。石墨烯作為一種二維層狀材料,具有大的比表面積、高的導(dǎo)電性等特點(diǎn)在各種電化學(xué)儲(chǔ)能器件方面有潛在的應(yīng)用。本文以制備高性能電池電極材料為目標(biāo),以改性石墨烯為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)開發(fā)了多種可控制備改性石墨烯的方法,最終實(shí)現(xiàn)高的電化學(xué)性能。為了緩解鋰電池電極材料導(dǎo)電性差和在充放電過程中體積效應(yīng)引起的容量衰減問題,本文首先開發(fā)了一種加熱-淬火循環(huán)制備3D多孔石墨烯的方法,所得產(chǎn)物具有大的比表面積和高的導(dǎo)電性。利用所得3D多孔石墨烯與P25(Ti O2)復(fù)合用于鋰離子電池陽極時(shí),在室溫下循環(huán)50圈后,所得容量為130 mAh g-1是相同條件下純P25容量的5.2倍。進(jìn)一步在0 oC低溫和40 oC高溫時(shí)循環(huán)50圈后,復(fù)合材料的容量分別為91.7和89.1 mAh g-1,明顯優(yōu)于純P25的容量(分別為10和27.8 mAh g-1)。結(jié)合X射線近邊吸收譜分析表明,所制備復(fù)合材料中,Ti O2與3D多孔石墨烯會(huì)形成Ti-O-C鍵,這些化學(xué)鍵的形成利于電池充放電過程中電子的傳輸,從而使得復(fù)合材料的鋰電性能有較大的提升。進(jìn)一步將3D多孔石墨烯與Fe2O3復(fù)合,結(jié)果顯示,在所有溫度范圍內(nèi),復(fù)合材料的容量都明顯優(yōu)于純Fe2O3的容量。以上結(jié)果說明3D多孔石墨烯對(duì)鋰電池陽極材料的儲(chǔ)鋰性能有較大改進(jìn),所制備復(fù)合材料適合在0-40 oC區(qū)間內(nèi)使用。所得3D多孔石墨烯可用于制備其它類型鋰電池電極復(fù)合材料,在航天電源系統(tǒng)中有潛在應(yīng)用。鈉離子電池也是一種重要的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,為了保證其在空間環(huán)境中正常工作,開發(fā)高性能、高低溫穩(wěn)定的鈉電池電極材料非常有必要。但由于Na+具有比Li+更大的離子半徑,在充放電過程中所引起的體積效應(yīng)更大而容易造成電池容量快速衰減。目前碳材料,尤其是石墨烯具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能可作為穩(wěn)定的鈉離子電池陽極材料。本文利用加熱處理三聚氰胺纖維和氧化石墨烯所形成的微米反應(yīng)單元法,制備了一種由卷曲狀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的具有大孔結(jié)構(gòu)、高比表面積的氮摻雜3D石墨烯。所制備氮摻雜3D石墨烯用于鈉離子電池陽極材料時(shí),在室溫條件下循環(huán)50圈后具有265 mAh g-1的高容量。進(jìn)一步,當(dāng)在低溫0 oC和高溫40oC條件下循環(huán)50圈后,其分別具有196和184 m Ah g-1的高容量。結(jié)合所得產(chǎn)物的形貌和鍵合分析顯示,所得氮摻雜3D石墨烯所具有的特殊3D結(jié)構(gòu)和氮元素?fù)诫s,可以提供更多的儲(chǔ)鈉位點(diǎn)并利于電極材料中的電子傳輸,并最終促進(jìn)鈉電池性能的提高。結(jié)果表明所制備氮摻雜3D石墨烯具有優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能,其可以在0-40 oC溫度范圍內(nèi)使用,為其進(jìn)一步應(yīng)用于空間環(huán)境提供了借鑒。目前,摻雜石墨烯用于燃料電池氧還原催化劑時(shí)存在催化活性位點(diǎn)不確定的問題。本文開發(fā)了一種通過只有C、N兩種元素的層狀化合物(g-C3N4)一步直接轉(zhuǎn)化為氮摻雜石墨烯的方法。通過進(jìn)一步在800-1000 oC條件下退火處理,可對(duì)氮摻雜石墨烯中氮元素種類和含量進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。所得氮摻雜石墨烯具有高的氧還原性能,其中900 oC退火條件下所得樣品的氧還原性能最佳,結(jié)合XPS分析可知一定比例的石墨相氮和吡啶氮是氧還原反應(yīng)的主要催化活性位點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種利用加熱一系列不同摩爾比的二芐基硫醚與三聚氰胺混合物的方法,可控制備了不同摻雜量的硫-氮雙摻雜石墨烯。研究了不同硫元素和氮元素含量下樣品的氧還原性能,結(jié)果顯示,900 oC時(shí),前驅(qū)體比例為1:6條件下樣品的氧還原性能最好。結(jié)合樣品的結(jié)構(gòu)和鍵合分析,結(jié)果表明在硫-氮雙摻雜石墨烯中,吡啶氮和石墨相氮是主要的活性位點(diǎn),而一定量的硫元素可以起到協(xié)同作用,進(jìn)一步提高氮摻雜石墨烯的氧還原性能。本研究為解決氮摻雜石墨烯在燃料電池氧還原反應(yīng)中,催化活性位點(diǎn)來源和雙摻雜石墨烯中元素的協(xié)同效應(yīng)問題提供了依據(jù),以上結(jié)果為開發(fā)新型改性石墨烯用于高效料燃料電池陰極催化劑提供了借鑒。
[Abstract]:In order to ensure the normal operation of the various instruments of the spacecraft to support aerospace power systems. The chemical energy is an important part of aerospace power systems, including various ion batteries and fuel cells. In the complex space environment, chemical energy is currently the main research focus is the development of high capacity, high stability of the battery electrode material graphene. As a kind of 2D layered material with large surface area, high conductivity can have potential applications in various electrochemical devices. The preparation of electrode materials for high performance battery as the goal, using modified graphene as the research object, design and development of a variety of control methods of preparing modified graphite graphene, realize high electrochemical performance of electrode materials for lithium battery. In order to alleviate the poor conductivity and volume effect caused in the process of charge and discharge capacity of the attenuation problem, this paper first First, the development of a heating cycle quenching preparation of 3D porous graphene, the product has large surface area and high conductivity. The porous 3D graphene and P25 (Ti O2) composite for lithium ion battery anode, at room temperature after 50 cycles, the capacity of 130 mAh g-1 is 5.2 times that of pure P25 under the same conditions. The capacity of further 50 cycles in high temperature low temperature 0 oC and 40 oC, the capacity of the composite were 91.7 mAh and 89.1 g-1, significantly higher than that of pure P25 capacity (10 and 27.8 mAh g-1). Combined with X ray absorption near edge spectrum analysis shows that the prepared composite material, Ti O2 and 3D porous graphene will form Ti-O-C bond, the formation of such chemical bonds to the electronic transmission of the battery charge and discharge process, so that the electrochemical performance of the composite are obviously improved. The porous 3D graphene and Fe2O3 compound, the In all, in the temperature range, the capacity of the composite is better than pure Fe2O3. The above results showed that the capacity of lithium storage performance of 3D porous graphene anode material for lithium battery is improved, the prepared composite material is suitable for use in the 0-40 oC range. The 3D porous graphene can be used for the preparation of other types lithium battery electrode composite materials have potential applications in aerospace power systems. Sodium ion battery is an important electrochemical storage device, in order to ensure the normal work in the space environment, the development of high performance, it is necessary to high and low temperature stability of sodium battery electrode material. But because the Na+ is greater than the radius of ion Li+, volume effect caused in the process of charging and discharging more easily cause rapid decay. The battery capacity of carbon materials, especially graphene has good conductivity and mechanical properties can be used as a stable The anode materials of sodium ion battery. Using this method micro reaction unit heating treatment of melamine fiber and graphene oxide formed in the preparation of a large pore structure formed by coiled structure, nitrogen doped graphene 3D with high surface area. The preparation of nitrogen doped 3D graphene anode material for sodium ion battery when the cycle of high capacity after 50 cycles with 265 mAh g-1 at room temperature. Further, when 50 cycles at low temperature and high temperature under the condition of 0 oC 40oC, which has high capacity respectively 196 and 184 m Ah g-1. Combined with the morphology and the products of the combination of key analysis showed that the special structure and 3D the nitrogen doped 3D nitrogen doped graphene is, can provide electronic transmission and storage sites for more sodium electrode materials, and ultimately promote the performance of sodium battery increased. The results show that the preparation of nitrogen doped graphene has excellent 3D The storage performance of sodium, can be used in the temperature range of 0-40 oC, which provides the reference for its further application in the space environment at present, the doped graphene used in the catalytic site of the uncertain problems of the fuel cell oxygen reduction catalyst. This paper developed a by only C, layered N two elements (g-C3N4) method directly into nitrogen doped graphene step. By further annealing in the condition of 800-1000 oC, can be controlled on the nitrogen nitrogen doped graphene. The type and content of nitrogen doped graphene has high oxygen reduction performance, which obtained 900 oC annealing conditions for oxygen reduction performance according to XPS analysis, a certain proportion of graphite nitrogen and pyridine nitrogen is the main catalytic site of oxygen reduction reaction. On this basis, the development of a heating using a series of different molar ratio of two The method of dibenzyl sulfide and melamine mixtures, can be controlled by different doping amount of sulfur nitrogen doped graphene. The effects of oxygen in different samples of sulfur and nitrogen content reduction performance, results showed that 900 oC, the proportion of oxygen precursor samples under the condition of 1:6 reduction combined with structural performance is the best. Key and sample analysis, the results show that the sulfur nitrogen doped graphene, pyridine nitrogen and graphite nitrogen are the main active sites, and a certain amount of elemental sulfur can play a synergistic effect, and further improve the nitrogen doped graphene oxygen reduction performance. This research is to solve the nitrogen doped graphene in fuel cell oxygen reduction reaction, provides the basis for the synergy between elements of catalytic active sites source and double doped in graphene, the above results for the development of new modified graphene cathode catalyst used for efficient fuel cell provided by Kam.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ127.11;V442

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本文編號(hào)：1628871