锑/离子液体衍生的氮掺杂碳复合材料作为钠离子电池负极材料研究

来源 :南京师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:future_007_007_007
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由于钠资源丰富,且分布广泛,价格低廉等优势,钠离子电池有望取代锂离子电池应用于大规模能源存储。作为钠离子电池的负极材料,锑因具有高理论比容量(660mAhg-1)和较高的导电率而备受关注。然而,锑在脱嵌钠过程中存在着巨大的体积膨胀(~390%),易造成锑颗粒粉化、失去电接触,最终导致循环稳定性较差。以往的研究表明,通过减小锑颗粒的尺寸和碳包覆可改善锑基钠离子电池负极材料性能。另外,氮掺杂的碳材料已被证明是提高碳基负极材料电化学性能的有效策略。离子液体具有不可燃性、高电化学稳定性、高离子电导率等优点,被认为是一种新型的制备氮掺杂碳材料的前驱体。基于以上结果,本论文将离子液体分别与锑和三氯化锑混合通过高温热解制备了三种锑/氮掺杂碳复合材料并对这些复合物的储钠性能进行了系统的研究,主要的研究内容如下:首先,我们通过简单球磨和后续的热还原成功制备了锑-氰基离子液体衍生的氮掺杂碳(Sb-CNC)复合材料,氮掺杂的碳基体由1-甲基-3-乙氰基咪唑氯([MCNIm]Cl)离子液体的碳化得到,锑纳米颗粒均匀地分散在氮掺杂碳网络结构中。锑与氰基官能化离子液体衍生的氮掺杂碳基体之间Sb-N-C键的形成保证了电极材料的完整性。此外,复合材料中的氮掺杂碳作为保护层和电子通道,不仅缓冲了锑纳米颗粒大的体积膨胀,而且加快了电子传输以实现稳定的循环性能。其次,我们通过氢/氩气氛热解1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺/三氯化锑的混合物得到了化学键合的锑@离子液体衍生的富氮碳复合物(Sb@NC)。在钠离子半电池中,该复合材料具有较高的循环比容量(在100 mAhg-1的电流密度下循环100个周期后比容量为440 mAh g-1)和优异的倍率性能(在2和5 Ag-1的电流密度下比容量为285 mAh g-1和237 mAh g-1)。全电池中,在功率密度为50 W kg-1的条件下,Sb@NC//Na3V2(PO4)3/C的能量密度约为147 Whkg-1。即使在2.37 kW kg-1高功率密度的下,能量密度仍然保持在65Wh kg-1。电化学性能的显著改善得益于锑纳米颗粒的均匀分布以及锑和离子液体衍生的富氮碳之间化学键作用的协同作用。最后,我们采用1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺作为氮源,通过球磨,冷冻干燥以及Ar/H2还原成功地制备了一种新型氮掺杂石墨烯与锑通过化学键作用形成的锑/氮掺杂石墨烯(Sb/N-rGO)复合物。掺杂氮原子可以增加石墨烯的润湿性,使电解液更容易渗透到电极材料中。另外,锑和吡咯氮掺杂的石墨烯之间的化学键作用缓冲了锑在循环过程中大的体积变化。与未掺杂的Sb/rGO复合材料相比,该复合材料作为钠离子电池的负极材料时,显示出高比容量、稳定的循环性能和优异的倍率性能。
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