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随着各类电子产品和新能源动力汽车逐步向高性能、多功能转型,作为可移动能源的锂电池也朝着高能量密度和快充方向转型。但是,随着传统电极材料难以满足大众对锂离子电池日益增长的长续航和快充的要求。具备高能量密度的电极材料逐渐被科研人员所重视,但是具备高能量密度的电极材料常存在难以解决的其他问题阻碍商业化的发展,主要包括电极材料的本征导电性较低和容量保持性较差等问题。新型碳基复合电极材料拥有较高的能量密度,且能改善电极材料的电导率从而提高电化学性能。本文通过设计具备特殊结构的碳材料作为复合材料的基底,采用N元素掺杂和结构设计共同发挥作用,旨在提高电极材料的导电性进而提高电化学性能,分别使用新型生物质碳材料和多孔纤维碳材料制备复合材料用于锂离子电池负极材料和锂硫电池正极材料,研究内容如下:(1)使用经过活化处理的桦木为生物质碳源,采用水热法一步制备N原位掺杂α-Fe2O3纳米球包覆碳纸负极材料NFO/CP。存在于桦木细胞中的氮元素经过碳化后原位掺杂在桦木褶皱碳纸中,物理吸附和Fe-O-C化学键产生的化学吸附使α-Fe2O3纳米球锚定在桦木褶皱碳纸表面上。结果表明,桦木碳纸的使用,成功提高了复合材料的导电性以及容量保持性能,使其在大电流密度下表现优异的放电性能,在10 A·g-1的电流密度下,最大放电比容量达到1000 m Ah·g-1,循环3000圈,仍然有着500 m Ah·g-1的放电比容量,仅比首圈放电比容量低100 m Ah·g-1。赝电容效应计算表明,NFO/CP作为负极材料在本实验所使用的电化学体系中表现出较强的赝电容特性;(2)采用静电纺丝法制备“玉米棒芯状”的多孔碳纤维,通过逐步熔融法制备多孔碳纤维/硫复合材料CCPCF/S(Corn-cob porous carbon fiber)。联合一维碳纤维结构和多孔碳结构协同发挥作用,富孔纤维复合材料为硫的附着以及电化学反应提供了有效的“孔容器”,有效提高了复合材料的载硫量(70 wt%)和电导率。CCPCF/S复合材料表现出良好的储锂性能,1C循环初始放电比容量为850 m Ah·g-1,在经过300次循环后,比容量保持为660 m Ah·g-1,甚至在2C的400循环后,比容量保持为395m Ah·g-1。(3)通过喷雾干燥法制备N掺杂的“窝窝头状”内凹空心碳球作为硫载体(N-CHCB/S)。材料制备以生物质碳木质素为碳源、三聚氰酸为氮源,在550℃的预烧过程中,三聚氰酸顺利的缩聚成片状碳化氮(C3N4),有效改善材料的极性并提高材料的导电性,吡咯氮的孤对电子能够与多硫化锂形成Li2Sx-Npyrrole化学键,“穿梭效应”因为Li2Sx-Npyrrole化学键产生的化学吸附作用而有效降低。片状碳化氮的存在是造成碳球出现内凹的原因,随着掺氮量的增加,碳球表面内凹结构数量增多,富硫量随之增加,掺氮量为5%的样品获得最优电化学性能,载硫量达到55 wt%,1C循环,初始放电比容量达到1102 m Ah·g-1,600圈后,放电比容量仍然保持在752 m Ah·g-1,相比未掺氮的样品,N-CHCB/S-5%的放电比容量高出500 m Ah·g-1,比容量保持率达到68.3%。