基于相分离的碳基复合材料的合成及其储能研究

基于相分离的碳基复合材料的合成及其储能研究 基于相分离的碳基复合材料的合成及其储能研究尽管汽车行业得到了迅猛的发展,像电动型和混合动力类型的汽车,但各大汽车公司正遭受的一个巨大的挑战-寻找更适合的动力系统来满足人们的使用。 考虑到锂离子电池已经在便携式电子产品市场中占据了主要的地位,科研人员已经准备把锂离子电池的运用从便携电子设备电源转向到汽车动力电池方面,随着几年的研究,锂离子电池已占有极大的市场份额并出现井喷式的发展。 但是锂离子电池在功率密度和能量密度方面的数据仍然需要进一步提高,这样才能更好地满足电动汽车动力电池的要求。 并且任何科学技术的发展都会伴随着矛盾与问题,包括人们对电池能量密度与功率密度的更高需求和锂资源的快速消耗而导致的价格上涨,从而会给锂离子电池的发展带来更多的挑战。 为了很好地解决以上问题,近年来研究人员选择从不同角度开展工作,比如找到合适的材料来代替金属锂。 与锂同处一族的钠/钾金属,因其价格低廉、化学性质相似、资源丰富、环境友好等优点,会是一个不错的选择,可以为我们构建储能机理与锂离子电池极其相近的室温钠/钾离子电池,并且有望能取代锂离子电池成为下一代动力汽车动力源与大型电站配套电源的理想选择。 针对上述讨论的问题,本论文从电极材料的结构设计、合成方法方面进行了深入的探究,主要的内容如下: （1）针对解决MoO2体积膨胀等问题,在第2章中,通过简单的单轴电纺的方法,我们成功制备出MoO2C核壳纳米纤维。 在本章中我们讨论了形成核壳纳米纤维的机理,从不同的温度的选择,到AMM不同浓度的探究,再到电纺前溶液的光学显微镜图的分析,我们总结出AMM与PVA体系存在的相分离现象是导致形成核壳纳米纤维的关键因素,当我们把温度适当增加时,核壳结构的现象会越加明显。 最后我们研究了MoO2C核壳纳米纤维充当负极材料来存储锂离子的能力,结果发现MoO2C-10核壳纳米纤维电极在0.5A g-1的电流密度下经过600次循环后得到了665mA hg-1的高可逆比容量,库伦效率能保持在98%。 甚至在1A g-1的电流密度下600次循环后电极的比容量仍可获得537mA hg-1。 这一工作为核壳纳米纤维的制备提供新的思路并且有望将其运用在能源存储方面。 （2）基于金属氧化物存储机制,MoO3比MoO2具有更高的理论比容量,所以在第3章我们通过热的稀硝酸氧化MoO2C纳米线成功制备出具有400.2m2g-1高比表面积的多孔h-MoO3C纳米纤维,且碳壁没有明显破坏。 在作为锂离子电池的负极材料时,与MoO2C纳米线相比多孔h-MoO3C纳米纤维电极表现出更好的性能,其中在2A g-1的电流密度下经过500次循环后还展现出302.9mA hg-1的可逆比容量。 作为钠离子电池的负极,多孔h-MoO3C纳米纤维电极同样具有很好的倍率性能。 在2A g-1的电流密度下经过1000次循环后仍具有108.9mA hg-1的放电比容量,并且在5A g-1的电流密度下1200次循环后还能保持91mA hg-1的比容量。 由于碳层可以维持结构的完整性且可提高导电性,同时h-MoO3的隧道结构可作为分离电子孔并为锂/钠离子嵌入脱出提供更多的特有位置,使得该复合纳米线作为电极材料表现出更好的性能。 本工作为合成具有高价的过渡金属氧化物/碳复合材料在电池和催化剂领域的运用提供了依据。 （3）进一步的研究发现,我们能把MoO2C纳米线中的MoO2完全刻蚀得到空心的多孔碳纳米管。 所以在第4章,我们首先通过单轴电纺技术得到MoO2C纳米纤维核壳结构,随后采用热的稀硝酸的处理便可获得高比表面积的多孔碳纳米管。 作为钠离子电池的负极,多孔碳纳米管电极展现出优异的循环性能和倍率特性。 在0.05A g-1的电流密度下,多孔碳纳米管电极能获得503mA hg-1的放电比容量。 当电流密度分别增加到1和5A g-1,多孔碳纳米管电极的放电比容量还能有131.9mA hg-1（1000次循环后）和110mA hg-1（1200次循环后）。 这个工作可以提供一种简单而且宽广的方法去制备多孔碳纳米管及其复合物作为电池,催化等方面的应用。 （4）基于前面的工作,我们尝试用一种新的手段去制备碳材料。 所以在第5章,我们首先采用简单的喷雾干燥技术制备出红细胞状的Mo2CC,然后采用热的稀硝酸刻蚀Mo2C纳米颗粒,从而可以得到多孔的红细胞状的碳球。 以此同时通过热处理调节多孔红细胞状碳球表面含氧官能团的含量,我们发现电极的性能不仅受其比表面积和多孔性的影响,而且含氧官能团的量越大不一定性能就好。 在作为钾离子电池的负极材料时,在0.1A g-1的电流密度下,多孔红细胞状碳球能有1213mA hg-1的首次放电比容量,经过50次循环后的放电比容量还能保持在366mA hg-1。 在0.5A g-1的电流密度下循环300次还能有24