生物质衍生多孔碳基材料的构筑及其在锂硫电池中的应用

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能源作为人类社会生产活动的基础,选择优质能源以及先进能源技术代替传统石油类不可再生能源,成为未来人类社会发展的必然趋势。电化学储能系统备受人们的关注,其中锂硫电池因其较高的理论比容量(1675 mAh g-1)和理论比能量(2600 Wh kg-1),有望成为继锂离子电池后的新一代可商业化应用的储能电池。锂硫电池体系中正极的活性物质(S)以及反应产物(Li2S/Li2S2)的导电性差,需要具有良好导电性的物质作为其基底材料,提供电子传输通道。本论文以存储丰富并且具有独特结构的生物质材料为碳源,探究不同方法构筑的碳材料在锂硫电池中的应用。其中包括:1、利用葡萄糖培养繁殖的酵母作为碳源、KOH作为活化剂。探究不同碳化温度对材料结构、形貌的影响。结果表明,在800℃下制备得到的微孔片状碳材料(MPCS)具有超高的比表面积(2410 m~2 g-1)。作为正极材料,在0.2C电流密度下首次放电比容量高达1502 mAh g-1。2、以藻类生物(紫菜)作为碳源、不同浓度KOH作为活化剂处理前驱体材料。结果表明,在2 M KOH、800℃高温下制备的碳材料具有蜂窝状多孔结构。独特的三维多孔结构碳材料作为硫的宿主材料,有利于离子传输和电解质的渗透,同时可以缓解充放电过程电池产生的体积膨胀效应。另外,在碳材料的基础上添加过渡金属氧化物,得到CoO修饰的蜂窝状分级多孔碳材料(CoO-HPC)。应用在锂硫电池正极中,在0.5C电流密度下首次放电比容量高达1215 mAh g-1,经过100圈充放电循环后容量仍保持655 mAh g-1,相比未修饰的HPC碳材料100圈循环后容量仅为542 mAh g-1有较大的提升。3、采用不同的活化方式处理具有孔道结构的紫薯制备多孔碳材料,研究活化剂种类和活化方法对材料形貌结构和电化学性能的影响。结果表明当KOH和Zn(OAC)2·2H2O的摩尔比为1:1时共同处理的碳材料具有蜂窝煤状结构,相比其他两种方式处理的碳材料其孔分布更加丰富。优质的结构对材料的性能影响至关重要,在锂硫电池中这种具有丰富孔结构的碳材料也相应的表现出优异的电化学性能。
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