纳米碳基复合负极的制备及其在锂电池上的应用

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近些年来电动汽车和各类消费电子产品的推广使得锂电池等新能源系统备受大众瞩目。然而,与化石燃料相比,锂电池平庸的能量密度和循环寿命制约着电动汽车的续航里程,成为了大众购买新能源车的最大顾虑。目前商业化的锂电池在寻求能量密度、循环寿命、快充性能和电池安全的理想平衡的过程中依然捉襟见肘。商业化锂电池的石墨负极具有低成本、无毒无害等优点,然而其较低的比容量已经难以满足人们对高能量密度储能电池的需求。为了突破锂电池的能量密度限制,研究人员采用了各种办法寻找替代石墨的下一代负极材料。其中,使用碳复合材料已经被证实是一种行之有效的策略。目前,锂电池的主流形态仍是锂离子电池,然而锂金属电池作为锂电池的终极选择,其研究亦受到大众的广泛关注。本文将掺氮石墨碳层包覆的CoSe/Co颗粒和碳-银空心纳米球两种纳米碳基复合材料分别应用于锂离子电池负极和锂金属电池负极,期望通过合理设计结构获得电化学性能良好的锂离子电池和锂金属电池负极。本文的主要内容包括:(1)使用钴基金属有机物框架(ZIF-67)、硒粉和二氰二胺(DCDA)作为前驱体,在一步的高温过程中同时实现了CoSe的合成和石墨碳的包覆,形成了形貌独特的掺氮石墨碳层包覆的CoSe/Co纳米颗粒。得益于稳定的包覆结构和赝电容效应,该材料用于锂离子负极时表现出良好的电化学性能,在0.2 A g-1的电流密度下充放电100圈后比容量达到630mAh g-1,在1 A g-1的电流密度下充放电500圈比容量达到640 mAh g-1。(2)将3-氨基苯酚和甲醛的聚合反应与银镜反应同时进行得到掺银的酚醛树脂纳米球,利用纳米球内部化学成分的不均匀对其进行部分溶解,得到银-酚醛树脂空心纳米球,随后高温碳化得到银-碳空心纳米球。将材料应用于锂金属负极基底,探索了碳球壳厚对循环库伦效率的影响。
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