【摘 要】
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由于碳基材料易合成,物理化学性质稳定和原料丰富,它们被认为是碱金属离子电池最具潜力的负极材料。然而,有限的活性位点阻碍了容量的提升,而且大的离子半径（如钠离子、钾离子）极大地限制了离子在电极材料内部的快速扩散,造成了缓慢的反应动力学。因此,如何对碳基材料进行结构设计以实现高效的电化学性能,是实现碱金属离子电池进一步应用的挑战。在本课题中,本文分别通过对碳基纳米片进行复合结构和微观结构调控设计,并作
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由于碳基材料易合成,物理化学性质稳定和原料丰富,它们被认为是碱金属离子电池最具潜力的负极材料。然而,有限的活性位点阻碍了容量的提升,而且大的离子半径（如钠离子、钾离子）极大地限制了离子在电极材料内部的快速扩散,造成了缓慢的反应动力学。因此,如何对碳基材料进行结构设计以实现高效的电化学性能,是实现碱金属离子电池进一步应用的挑战。在本课题中,本文分别通过对碳基纳米片进行复合结构和微观结构调控设计,并作为碱金属离子电池负极材料。通过对合成条件的探索,明确了结构-性能之间的紧密联系,同时也对储能机理进行了探究和分析。以下是主要的研究结果:1.使用简单的水热和煅烧方法在石墨烯表面原位生长了NbOPO4纳米片,它们之间通过界面相互接触,这种相互作用使复合材料界面处电子结构发生改变,提升了活性材料的利用效率,同时二维复合结构缩短了离子传输距离,提升了电子传导。得到的Nb OPO4/r GO复合材料表现出优于无r GO复合材料的倍率性能,并可实现稳定的长循环。原位XRD和非原位Raman/XRD/XPS表征手段揭示了其在首圈经历了嵌入-转化反应机制。2.使用商业ZnO为模板,并在其表面自组装一层ZIF-8包覆层,通过改变前期低压气相沉积过程中的温度实现了对碳纳米片微观结构的调控。所得到的碳纳米片材料具有三维连通的网络骨架,扩大的层间距,超薄的片层厚度以及富缺陷结构。电化学性能的对比证明了具有合适的片层厚度和杂原子掺杂量的碳纳米片更能表现出结构的优越性,导致了稳定的循环和高倍率性能。通过原位Raman和非原位TEM测试,并结合电化学测试分析,揭示了碳纳米片材料独特的表面缺陷诱导的快速K+存储机制。
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