【摘 要】
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锂离子电池(LIBs)的能量密度高、循环稳定性好,在电子市场及动力电池市场具有非常重要的地位。作为电池核心的负极活性材料,与电池电化学性能的好坏有着密切的联系。然而目前商业化的石墨负极材料已无法满足人们对于高能量密度、高安全性以及长寿命电池的需求。因此,选用天然的生物质资源开发新型电池负极活性材料是研究的热点方向之一。近年来,绿色发展的理念日益深入人心。本论文就基于绿色环保、成本低廉的设计理念,选
【基金项目】
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湖南省自然科学基金(项目编号2017JJ2040);
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锂离子电池(LIBs)的能量密度高、循环稳定性好,在电子市场及动力电池市场具有非常重要的地位。作为电池核心的负极活性材料,与电池电化学性能的好坏有着密切的联系。然而目前商业化的石墨负极材料已无法满足人们对于高能量密度、高安全性以及长寿命电池的需求。因此,选用天然的生物质资源开发新型电池负极活性材料是研究的热点方向之一。近年来,绿色发展的理念日益深入人心。本论文就基于绿色环保、成本低廉的设计理念,选用湖南省盛产的生物质油茶壳及油茶榨油后的油茶籽粕作为研究的对象,一是采用温和的K2CO3溶液预处理油茶壳粉经高温碳化制备多级孔孔隙的碳材料;二是采用油茶籽粕与过渡金属硫化物(Mo S2)相复合,借助于协同相互作用来提高电池的整体比容量,具体工作内容如下:(1)以大宗废弃油茶壳粉作为碳前驱体,通过K2CO3溶液浸渍以及高温碳化法相结合制备出具有多级孔隙结构且高比表面积的碳材料。K2CO3溶液碱性较弱且没有毒害。茶壳粉通过浸渍预处理后一方面可以增加其表面的含氧官能团,在进行脱水、缩合和聚合等一系列反应时,含氧官能团的断裂能有效引入大量介孔;另一方面,在高温碳化过程中熔融的K2CO3不仅会与生物质炭发生氧化还原反应,释放CO和钾蒸汽,其自身还会发生分解反应,这会提供大量的微-介孔结构并产生1479 m2·g-1的高比表面积和0.832 cm3·g-1的孔容。该活性材料的电化学储锂性能:在电流密度为200 m A·g-1时,初始放电比容量为629.9 m Ah·g-1。该电极经过250次循环后,在200 m A·g-1的电流密度下仍保持503 m Ah·g-1的高比容量,库仑效率接近为100%,表现出良好的循环稳定性。(2)选用废弃的油茶籽粕作为碳源,钼酸钠为钼源,L-半胱氨酸(L-Cys)为硫源,采用一锅煮法合成复合材料,再经多巴胺盐酸盐聚合,高温退火,得到三维泡沫状的复合材料。此法可实现具有良好导电性的碳基与相对理论比容量较高的Mo S2(理论比容量672 m Ah·g-1)的协同互补。生物质碳基的引入,弥补了Mo S2较差的导电性,可提高复合体系整个的导电性能;同时,碳基也会利于硫化物的附着,有助于两者功能上的优势互补,充分发挥组分间的协同相互作用,改善锂离子电池的电化学性能。该材料拥有较好的电化学储锂性能:在100 m A·g-1的电流密度下,该活性材料具有1064 m Ah·g-1的可逆比容量;此外,该电极材料在1000 m A·g-1的高电流密度下也能维持较长的循环寿命,经过500次循环后其可逆比容量高达600 m Ah·g-1。并且除初始可逆充放电比容量发生波动外,在随后的整个循环过程中其库仑效率几乎保持在100%,表现出良好的可逆稳定性。
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