高性能氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能研究

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锂离子电池由于其优越的电化学性能而被广泛应用于各种便携式电子设备,但是随着电动车和大规模储能市场的发展,现有锂离子电池的容量亟待提升。氮掺杂作为提升碳负极材料储锂性能的有效方式之一,成为目前重要的研究方向。本文通过对制备的氮掺杂碳材料的形貌结构表征和电化学性能检测,系统的研究了氮掺杂对碳材料的储锂性能的影响和可能机理。主要研究内容如下:(1)以葡萄糖为碳源、三聚氰胺为氮源,通过高温裂解合成氮掺杂碳材料(CNC),并加入氯化锌作为反应添加剂,研究了锌离子对反应产物微观结构的影响。制得的氮掺杂碳材料中氮的含量高达26.56 wt%,纳米碳晶粒尺寸1 nm。此外,氯化锌的加入不但可以抑制电化学嵌锂反应中不稳定的石墨氮的生成,还可以调节材料中吡啶氮/吡咯氮的比例。(2)将(1)制备的CNC作为锂离子电池负极材料时,在1 Ag-1的电流密度下拥有1353mAhg-1的比容量。经过100圈循环后仍然保持有1155 mAhg-1的比容量。我们根据S.Freunberger提出的将嵌锂后电极质量和体积作为计算基础的新衡量方法,计算出CNC电极的质量能量密度和体积能量密度分别为970 mAhg-1和951 mAhcm-3,这一结果优于目前所报导的碳基负极材料,十分接近于硅的能量密度。(3)以ZIF-8为前驱体,将制备的氮掺杂碳材料进一步与钒复合,制备钒的氧化物与碳氮复合材料。在大电流密度下钒的氧化物能形成较稳定的SEI膜,使循环倍率性能提升。钒的氧化物与碳氮复合材料在5 Ag-1的电流密度下,经过100圈循环后任然保持有220 mAhg-1的可逆容量,表明其在大电流密度下具有良好的循环稳定性。
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