锰基氧化物/炭负极材料的制备及储锂性能研究

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锂离子电池(LIBs)因能量密度高、无记忆效应、自放电小等突出特点,已成为被广泛应用的储能系统。但是商业石墨的理论比容量较低,无法满足未来对能量密度要求。锰基氧化物具有资源丰富、理论比容量高等优点,被认为是具有应用潜力的LIBs负极材料之一。然而,锰基金属氧化物因较差的导电性和严重的体积效应阻碍了其在LIBs负极材料中的进一步发展与应用。将锰基氧化物与具有优异导电性的炭材料进行复合是目前有效的改性策略之一。本文围绕锰基氧化物/炭负极材料的设计、制备以及储锂性能的提升展开,成功制备了多种锰基氧化物与炭复合材料,并表现出较优异的电化学性能。研究内容如下:(1)原位自模板诱导法合成氮掺杂炭中空纳米管包覆Mn O复合材料及储锂性能研究。以吡咯(PY)为碳源和氮源,以Mn3O4纳米管为模板,采用原位自模板诱导法制备氮掺杂炭中空纳米管包覆Mn O复合材料(Mn O@NHCNT),探讨PY的添加量对Mn O@NHCNT形貌结构及储锂性能的影响。其中,当PY的添加量为1 m L时,复合材料表现出来的储锂性能最佳,在电流密度为0.2 A g-1,经过300次循环后,其放电比容量仍保持为966.7 m Ah g-1。(2)氮掺杂多孔炭包覆Mn2O3复合材料的制备及储锂性能研究。以锰盐、尿素、PY为原材料,采用原位复合法制备前驱体,再经热处理法制备氮掺杂多孔炭包覆Mn2O3复合材料(Mn2O3@NC),并研究了Mn2O3@NC中金属氧化物与炭含量关系,对储锂性能的影响。导电炭的引入以及在由尿素形成的C3N4软模板作用下,使复合材料的导电性提升的同时具有较大的比表面积和较高氮含量。当复合材料中Mn2O3含量为7.07%时,该材料具有丰富的活性位点和合适的孔径结构,并展现出较好的储锂性能,在电流密度为0.2 A g-1,循环200圈后,其放电比容量为845.8 m Ah g-1。(3)氮掺杂多孔炭包覆Mn2O3/Mn O异质结复合材料的制备及储锂性能研究。以锰盐、尿素、PY为原材料,采用机械研磨法制备前驱体,再经热处理法制备氮掺杂炭包覆Mn2O3/Mn O异质结复合材料(Mn2O3/Mn O@NC)。对比研究了C3N4的引入与否以及含量对复合材料结构组成和储锂性能的影响。当引入C3N4且采用机械研磨法制备前驱体时,所得到复合材料为Mn2O3/Mn O@NC。该复合材料不仅具有独特的异质结构,而且具有丰富的孔结构,因此展示出优异的储锂性能(电流密度为0.2 m A g-1,经300次循环后,复合材料的放电比容量为1402.5 m Ah g-1)。
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