多孔有机框架衍生碳材料的制备及其储锂性能的研究

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当今社会,能源存储的环境友好性和可持续发展性越来越受到人们的广泛关注。迄今为止,锂离子电池技术因具有较高的比容量、较长的循环寿命、对环境友好、没有记忆效应等优势,被认为是一种重要的能源存储形式。研究表明,决定锂离子电池电化学性能的关键是电极材料,尤其是作为容量主要贡献者的负极材料。因此,探索具有高容量、高倍率性能以及长循环寿命的负极材料迫在眉睫。近来,由轻质元素氢、碳、氮、氧等以共价键连接的多孔有机框架材料(Porous Organic Frameworks,POFs)受到了广泛关注,由于其均一的孔径、良好的热稳定性、有序的骨架结构以及成分可调控而被认为是气体存储、光致发光、半导体、质子传导、催化和能源存储的理想材料。以多孔有机框架材料为前驱体,通过高温碳化,可制备不同元素掺杂的碳材料并应用于锂离子电池领域,为探索新的电极材料提供了独特的思路。这类材料合成方法简单易行,结构和功能化可以通过采用具有不同官能团的配体来实现。本文通过利用不同配体合成了一系列含有不同元素的多孔有机框架材料,经高温碳化,获到了不同杂原子掺杂的多孔碳材料,并研究其储锂性能。主要内容有:1.合成了含有氮元素的多孔有机框架,经高温碳化得到氮掺杂的多孔碳材料(NCs),测试了其储锂性能。在0.1 A g-1电流密度下循环100圈,NCs的最大可逆比容量为387.1 mAh g-1,在1.0 A g-1电流密度下1000圈后仍能保持224.4mAh g-1的比容量。2.以含有氮、硼元素的球状多孔有机框架为前驱体,经高温碳化,制备了氮、硼共掺杂的多孔碳球(NBCs)。由于其丰富的孔道、独特的结构以及氮、硼元素共掺杂,NBCs展现了优异的储锂性能,尤其是大电流密度下的长循环性能显著提高。在5.0 A g-1下5000圈循环后其比容量为205.5 mAh g-1,即使在10.0 A g-1下循环5000圈后比容量仍有171.4 mAh g-1。3.制备了含硫元素的多孔有机框架结构,高温碳化后得到硫掺杂的多孔碳(SCs)。用作锂离子电池负极材料时,在0.1 A g-1下循环100圈后SCs有760.5mAh g-1的超高比容量;在1.0 A g-1下循环1000圈后,比容量仍能保持682.3 mAh g-1
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