【摘 要】
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锂离子电池凭借其高能量密度、功率密度和长周期稳定性的优势,在先进电子产品和电动汽车中得到成功应用。然而,由于锂资源在世界上的储量极其有限,分布不均衡,致使其价格昂贵,不适用于大规模储能。钠与锂具有相似的理化性质,且钠元素在全球有着丰富的储量、成本低,这使得钠离子电池迅速成为大规模储能的新星。炭材料具有低成本、化学性质稳定及环保绿色的优点,成为了极具应用前景的钠离子电池负极材料。本文选择高长径比、机
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锂离子电池凭借其高能量密度、功率密度和长周期稳定性的优势,在先进电子产品和电动汽车中得到成功应用。然而,由于锂资源在世界上的储量极其有限,分布不均衡,致使其价格昂贵,不适用于大规模储能。钠与锂具有相似的理化性质,且钠元素在全球有着丰富的储量、成本低,这使得钠离子电池迅速成为大规模储能的新星。炭材料具有低成本、化学性质稳定及环保绿色的优点,成为了极具应用前景的钠离子电池负极材料。本文选择高长径比、机械强度优异以及结构易调的碳纳米纤维作为研究对象,引入纳米碳添加剂,针对不同纳米碳添加剂与碳纳米纤维之间的相互作用进行研究。此外,在引入氮原子后,研究在氮原子的作用下,不同纳米碳添加剂对碳纳米纤维的影响。主要的研究内容如下:（1）碳纳米纤维骨架是以聚乙烯吡咯烷酮为碳源制备得到的,以碳纳米管和石墨烯作为导电添加剂,得到了相互交联的碳/碳复合纳米纤维。相互交联的纳米纤维网络形成三维导电网络,有利于电子沿着三维导电网络快速传输。石墨烯的引入促进材料表面官能团的演化。丰富的表面官能团有效地提高了材料储钠容量,增强材料导电性。在0.05 A g-1的电流密度下,G/CNFs电极经历300次充放电后,可逆容量可以达到254 m Ah g-1。此外,在2 A g-1下循环600圈后,G/CNFs电极的容量仍保持在200 m Ah g-1。分析不同扫速CV的数据,发现G/CNFs电极材料的储钠机制是以表面吸附为主。（2）以三聚氰胺为氮源制备出氮掺杂碳纳米纤维,引入石墨烯后展现出了优异的储钠容量。石墨烯的存在促进了材料表面含氮官能团的演化,在材料表面产生大量孔结构并增大层间距。这在增加材料的活性位点,提高层间储钠等方面扮演着重要的角色,显著提高了材料的电化学性能。在0.05 A g-1时,N-G/CNFs初始充电容量达到310 m Ah g-1,循环200圈后,其容量仍保持在295 m Ah g-1,远高于N-CNFs(193 m Ah g-1)。动力学研究发现,N-G/CNFs电极材料的赝电容贡献均低于N-CNFs,说明N-G/CNFs电极中插层反应对储钠容量的提升具有重要贡献。
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