论文部分内容阅读
本文针对锂-硒电池存在的循环稳定性差、倍率性能不佳等问题,设计合成了一系列拥有特殊结构的硒-多级孔碳纤维复合材料,大大地提高了锂-硒电池的电化学性能。首先,我们采用绿色造孔剂木质素磺酸钠LN(Sodium lignosulfonate),先通过静电纺丝法绿色合成了具有高比表面积和大孔容的多级孔碳纤维HPCF(Hierarchically Porous Carbon Fiber)。接着,利用熔融扩散法在氢气气氛中制备出了硒单质-多级孔碳纤维复合物 Se/HPCF-H2(Selenium/Hierarchically Porous Carbon Fiber-H2);另外,我们还采用溶剂热法将 Se/HPCF(Selenium/Hierarchically Porous Carbon Fiber)与石墨烯分散液自组装成具有三明治结构的Se/HPCF-RGO(Selenium/Hierarchically Porous Carbon Fiber-Reduced Graphene)复合物;此外,我们还以液相溶解-扩散法合成了一种电化学性能优良的Se-HPCF(SeO2)(Selenium/Hierarchically Porous Carbon Fiber(SeO2))复合物。并系统性地研究了它们的理化性质和电化学性能之间的关系。本论文的主要研究结果可归纳如下:(1)以多级孔碳纤维HPCF为反应器;采用熔融扩散法在氢气气氛中将单质硒与HPCF复合制备得到Se/HPCF-H2复合材料。将Se/HPCF-H2复合材料用作锂-硒电池正极时,它表现出了很高的容量(倍率为0.2 C,循环50次后比容量保持在580 mAh g-1)和高倍率性能(大倍率为5 C,可逆比容量保持在372 mAh g-1)。研究结果表明,采用绿色造孔剂LN制备的多级孔碳纤维(HPCF)作为反应器对提升电化学性能的效果明显。此外,当制备条件为还原性气氛时,复合物具有更高的储锂比容量和循环稳定性,明显优于惰性气氛条件。(2)将Se-HPCF材料与石墨烯分散液通过溶剂热法复合,得到具有高硒负载量的Se/HPCF-RGO复合材料,该复合材料中的硒负载量高达57%。研究结果表明,同时具有多级孔(微孔-介孔)结构和三明治复合结构的Se/HPCF-RGO复合材料拥有非常优异的电化学性能。当用作锂-硒电池正极材料时,它表现出了很高的比容量(倍率为0.2 C,循环50次后比容量保持在616 mAh g-1),高倍率性能(大倍率为5 C,可逆比容量保持在408 mAh g-1)和非常优异的长寿命循环稳定性(超大倍率10 C下,循环5000次后的可逆比容量仍可高达208 mAhg-1)。这种独特的电化学性能可归功于复合材料中多级孔结构和三明治结构组合产生的协同效应。除此之外,氮元素的掺杂不仅可以提升电极的电导率,还能与充放电过程中所生成的多硒化物发生强烈的相互作用,形成N-Se键,可有效抑制锂-硒电池循环过程中多硒化物的溶出,限制“穿梭效应”,提高材料的循环稳定性。(3)以多级孔碳纤维(HPCF)为反应器,SeO2为硒源,采用液相溶解-扩散法将HPCF与SeO2复合,获得了一种性能优良的Se-HPCF(SeO2)复合材料。我们将Se-HPCF(SeO2)用作锂-硒电池正极材料,电化学性能的测定结果表明,它具有很好的循环性能(电流密度为0.2 C,循环至50次后容量保持在533 mAh g-1)和较高倍率性能(电流密度为5 C,容量保持在351 mAh g-1)。这种优秀的电化学性能是由于HPCF所具有的微孔-介孔结构,该结构可以有效地缓冲充放电过程中活性物质的体积膨胀,抑制多硒化物的溶解,从整体结构上保持了电极材料的稳定,同时还能提升电子以及离子的传输效率,从而使Se-HPCF(SeO2)材料表现出优良的电化学性能。