新型二維碳納米片的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電池和超級電容器是新一代儲能元件,其具有循環(huán)壽命長、環(huán)境友好、安全可靠等優(yōu)點,在便攜設(shè)備、電動汽車和混合動力車等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。電極材料作為鋰電池和超電容的關(guān)鍵部件,是決定其性能優(yōu)劣的重要因素,因此開發(fā)新型高性能電極材料成為科研工作者們研究的重點內(nèi)容,以期滿足電動汽車和混合動力車等方面越來越迫切的需求。
　　以石墨烯為代表的二維碳納米材料是一種新型的碳材料,其具有獨特的二維結(jié)構(gòu)以及比表面積大、機械性能和導(dǎo)電性優(yōu)等

2、特點,非常適合用作鋰離子電池和超電容電極材料。目前二維材料的制備方法主要有模板法、化學(xué)氣相沉積法和氧化石墨還原法。然而,模板法和化學(xué)氣相沉積法制備過程復(fù)雜、成本較高且產(chǎn)率較低、不適合宏量生產(chǎn);而氧化石墨還原法雖然能宏量制備,但所制得的二維材料結(jié)構(gòu)缺陷多、石墨化程度低、機械性能且導(dǎo)電性差,以致儲能倍率性能較低,不利于其在電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。探索工藝簡單、成本低廉且性能優(yōu)良的制備方法是促進二維碳納米電極材料發(fā)展的關(guān)鍵。
　　本文以氯

3、化鈉為模板和分散劑,采用一步熱解法和KOH原位活化法分別制備了二維碳納米片和原位活化二維多孔碳納米片,并探討了這兩種材料的儲能性能及機制。
　　以氯化鈉的表面為模板、葡萄糖為碳源、硝酸鐵為金屬源,采用一步熱解法制備了二維碳納米片,系統(tǒng)研究了熱解工藝對碳納米片形貌與結(jié)構(gòu)的影響,并將其應(yīng)用于鋰離子電池負極材料。研究表明,煅燒溫度對二維碳納米片的宏觀尺寸和結(jié)晶度有較大影響,煅燒溫度越高,二維碳納米片的宏觀尺寸越大,碳的結(jié)晶度越高;提高氯

4、化鈉的含量可使二維碳納米片的厚度降低,同時使碳的結(jié)晶度下降。二維碳納米片作為鋰離子電池負極材料時具有較高的比容量和較好的倍率性能,實驗測得1-700樣品的性能穩(wěn)定,其在100 mA g-1的充放電電流密度條件下容量最高可以達到722 mAh g-1。另外其也具有良好的倍率性能:在1 C、2 C、10 C、20 C和30 C(1 C=372 mA g-1)的充放電電流密度下可逆容量可保持在535、485、380、202和115 mAh g

5、-1。
　　以葡萄糖為碳源、硝酸鐵為催化劑前軀體、氯化鈉為分散劑兼模板、氫氧化鉀為活化劑,通過溶解-凍干-煅燒工藝制備了原位活化二維多孔碳納米片,系統(tǒng)研究了各種物理化學(xué)條件對原位活化二維多孔碳納米片形貌與結(jié)構(gòu)的影響,并將其用于超電容電極。結(jié)果表明,前軀體中KOH的含量對原位活化二維多孔碳納米片的孔徑有重要影響,KOH含量越高,所得材料微孔所占比例減少,中孔、大孔所占比例增大;煅燒溫度對原位活化二維多孔碳納米片孔徑和碳的結(jié)晶度有重要

6、影響,在一定溫度范圍內(nèi)提高煅燒溫度,所得材料微孔所占比例減少,中孔、大孔所占比例提高,同時所得碳材料的結(jié)晶度有所提高。原位活化二維多孔碳納米片用于超電容電極時,在0.5 A g-1的充放電電流密度下,其比容量最高可達183 F g-1。綜合性能最好的樣品為KOH-5650樣品,其在6 mol/L的KOH溶液中0.5 A g-1的充放電電流密度條件下容量可達130 F g-1,提高充放電電流密度至20 A g-1,其容量仍可保持在95 F