电极材料是能源存储器件的核心之一,新型结构的碳基纳米电极材料的研发是当前能源材料领域的研究前沿。结合当今锂离子电池负极材料、锂硫电池和锂空气电池正极材料研究领域的现状、动态及存在问题,本文围绕新型介观结构碳材料——三维分级结构碳纳米笼的可控制备及储能性能开展研究工作,取得的主要进展如下:1.介观结构碳纳米笼的可控制备。作为电极材料,三维分级结构碳纳米材料具有丰富的孔道结构及相互连接的骨架结构,非常有利于电子和离子的传输,增大比表面积的利用率,同时还能保持材料的结构稳定性。因此,合成具有三维分级结构的碳纳米材料得到了广泛关注。基于课题组前期发展的原位模板法合成碳纳米笼的技术路线,本文揭示了合成过程中前驱体、模板和产物之间的传递关系。在此基础上,通过选取具有三维分级结构的碱式碳酸镁为前驱体,以苯为碳源,成功制得了在原子尺度、纳米尺度和介观尺度上展现出清晰可辨的多尺度特征的,微孔、介孔和大孔共存的介观结构新材料——三维分级碳纳米笼(hCNC)。它具有高比表面积(1276 m2/g)、大孔体积(4.178 m3/g)、高电导率(183 S/m)等优良性能,有利于电解液的渗透、介质的传输、电子的传导以及材料的稳定性,在锂离子电池负极、钠离子电池负极、锂硫电池正极和锂空气电池正极等方面具有应用前景。2.hCNC作为锂离子电池高倍率负极材料的性能研究。目前,锂离子电池在高倍率正极材料方面已取得了重要研究成果,与之相匹配的高倍率负极材料却进展缓慢。本文采用hCNC作为锂离子电池负极材料,其独特的介观结构有利于锂离子的传输、电解液的渗透、电子的传导以及材料的稳定性,从而获得了优异的高倍率性能和稳定性。在高电流密度25 A/g下循环10000圈后,可逆容量仍能稳定在229 mAh/g,输出高达37 kW/kg的功率密度及339 Wh/kg的能量密度。与无序堆积碳纳米笼(rpCNC)作为电极的性能相比,清晰可辨的多尺度结构特征的hCNC具有明显的优势,为日益引起多学科重视的介观科学研究提供了一个示例。此外,作为钠离子电池负极材料,hCNC也展现出优异的储钠性能。3.hCNC限域的高硫含量C-S复合材料及其高倍率锂硫电池性能。锂硫电池大规模发展的瓶颈在于低的活性物质利用率、低的库伦效率和短的循环寿命,这是由硫的导电性差和中间产物多硫化物溶解所造成的。利用hCNC具有高的孔体积、优异的导电性和孔性的网络构型等特点,本文采用高温熔融扩散方法将大量硫注入到碳笼内腔,实现了高硫含量在碳笼内的限域,获得了硫担载量高达79.8wt%的新型碳硫复合物。作为锂硫电池正极材料,该高硫含量复合物有效减少了多硫化物的溶解,增强了电导率和离子扩散速率,具有比容量大、倍率性能高和循环寿命长的优点。在1 A/g高电流密度下经过300圈循环后,放电比容量仍能高达558mAh/g。在3 A/g高电流密度下充电6分钟就可获得300 mAh/g的比容量,能量密度达218 Wh/kg(高于目前锂离子电池的能量密度),并能稳定循环500圈,有望使目前的电池充电时间从小时缩短到分钟。4.hCNC作为锂空气电池正极材料的性能初探。将hCNC作为锂空气电池正极材料,其高的比表面积、优异的导电性和孔性的网络构型等特点有利于氧气的传输、电解液的渗透和放电产物Li2O2的沉积,从而展现出优异的性能。在0.1 A/g的电流密度下放电容量可高达10000mAh/g;在1.0 A/g的高电流密度下以800 mAh/g的比容量放电,能循环30圈。