核壳结构米粒状FeS2/C纳米材料制备及储锂性能研究

通过阴离子置换反应制备出具有核壳结构的米粒状FeS₂/C纳米材料。所制备材料具有较高的离子和电子电导,优异的电解液浸润特性,以及缓冲材料体积变化的能力。在作为锂离子电池负极材料时,FeS₂/C电极具有较高的可逆比容量以及优秀的倍率性能,100 mA·g^-1电流密度下可逆比容量高达1100 mA·h·g^-1,在2 A·g^-1的大电流密度下,依然有866 mA·h·g^-1可逆比容量。研究结果为其他核壳材料的制备提供了新的思路和方法。     

面向快充锂离子电池的氮掺杂多孔硬碳负极

石墨基锂离子电池负极有限的理论容量和较慢的充电速度已不能满足需求,开发更高容量且兼具快充能力的锂离子电池负极材料成为研究重点。利用蔗糖与浓硫酸脱水反应得到初始硬碳(R-HC),并在NH₃/Ar气氛中退火,得到了氮掺杂的多孔硬碳(N-HC)。N-HC具有丰富的超微孔结构(孔径<0.75 nm)和较大的层间距(约为0.39 nm),使得锂离子在N-HC中的扩散系数能够达到9.0×10^-8 cm²·s^-1。在0.27 C和2.7 C (1 C=370 m A·g^-1)条件下,N-HC负极经过680和1 400次循环后容量分别为704.0 m A·h·g^-1和269.2 mA·h·g^-1。尽管其首次Coulomb效率还有待提高,N-HC负极已初步达到锂离子电池的快充性能要求。     

纳米颗粒组装三维Co3O4微米花材料制备及储锂性能研究

通过软模板法(表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,CTAB)结合后续空气气氛热处理制备出纳米颗粒组装三维Co₃O₄微米花负极材料。研究中采用X射线衍射分析(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、循环伏安测试(CV)、恒流充放电测试以及交流阻抗测试(EIS)对合成样品进行表征分析。研究结果显示,Co₃O₄微米花材料独特的结构优势赋予其优良的电化学性能,在100 mA·g^-1电流密度下电极具备约920 mA·h·g^-1的循环可逆比容量;在500 mA·g^-1电流密度下循环200次后的循环可逆比容量为757 mA·h·g^-1,容量几乎无衰减。大电流循环性能测试显示,所制备电极即使在2 A·g^-1电流密度下依旧具有476 mA·h·g^-1的循环可逆比容量。简易、有效且低成本化的高性能微米花结构过渡金属氧化物负极材料制备工艺将大大加速转换型电极材料的实际有效应用。     

一种可同时用于钠离子和钾离子电池的Bi2S3基负极材料初探

Bi₂S₃是一种有潜力的转换合金化负极材料,它具有较高的首次可逆钠离子充/放电容量567.6m Ah·g^-1/744.2m Ah·g^-1和钾离子充/放电容量464.3m Ah·g^-1/984.5m Ah·g^-1,但稳定性和倍率性能均有待改善。同步进行掺氮碳层包覆(Bi₂S₃@NC)和石墨烯包覆(Bi₂S₃@rGO)实验后,发现NC包覆效果不明显,而rGO在较少容量损失的前提下,大幅改善循环稳定性,经100次循环后分别用于钠离子和钾离子存储均可维持100m Ah·g^-1左右的可逆容量。且倍率性能改善更为明显,2000mA·g^-1时,Bi₂S₃@rGO仍能保持183.9mAh·g^-1的高可逆钠离子存储容量。     

Mo2N量子点@N-掺杂石墨烯复合材料的制备及储锂性能

为改善钼氮化物的电化学储锂性能，以钼酸铵、六次甲基四胺及氧化石墨烯（GO）为原料，通过水热、冷冻干燥及在H₂/N₂混合气中热处理，制备了Mo₂N量子点@氮掺杂石墨烯复合材料（Mo₂N-QDs@Ngs），并探究了GO复合量对电化学储锂性能的影响。透射电子显微镜（TEM）测试结果表明：制备的Mo₂N量子点尺寸约为2~5 nm，Mo₂N量子点均匀地分布在氮掺杂石墨烯的表面。电化学测试结果表明：当GO复合量为30%时（Mo₂N-QDs@Ngs-30），制备的复合材料具有最佳的电化学储锂性能，其在0.1 A·g^-1的电流密度下具有699 mA·h·g^-1的比容量，在2 A·g^-1下仍具有286 mA·h·g^-1的比容量。     

具有优异锂存储性能的蛋黄蛋壳结构FeS2@CFs薄膜电极

利用简单的静电纺丝结合刻蚀和硫化策略获得了FeS₂@碳纤维（FeS₂@CFs）薄膜电极,每个独特的蛋黄蛋壳结构单元与全方位三维碳纤维导电网络之间的协同效应赋予了电极材料优异的锂存储性能。作为锂离子电池负极材料时,在5 A·g^-1的大电流密度下容量仍能保持在415.4 mAh·g^-1,在0.5 A·g^-1的电流密度下经过循环400圈的循环之后可逆容量约为977.9 mAh·g^-1。更重要的是,前驱体材料具有很广泛的扩展性,这可为柔性薄膜电极材料的制备提供一种设计思路。     

熔融盐法制备煤基多孔碳纳米片用于钠离子电池负极

低成本、高性能钠离子电池负极材料的开发是其走向商业化应用的关键。以富含芳香结构单元的煤液化固体残渣为碳源,结合KCl/CaCl₂熔融盐的结构导向作用,可控制备了二维多孔碳纳米片（carbon nanosheets, CTx）,并探究其用于钠离子电池负极材料的电化学性能。研究发现,通过调控碳化温度可对煤基多孔碳纳米片的微观结构进行优化,在1000℃下制备的二维碳纳米片样品（CT1000）具有相对高的比表面积和丰富的缺陷结构。作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A·g^-1 的电流密度下,其可逆比容量为221.4 mAh·g^-1,当电流密度增加至10 A·g^-1时,比容量可以保持在124.4 mAh·g^-1,倍率性能优异。此外,在1 A·g^-1 的电流密度下经2000次循环后,比容量保持率高达94.2%,展现出较大的应用潜力。     

熔融盐法制备煤基多孔碳纳米片用于钠离子电池负极

低成本、高性能钠离子电池负极材料的开发是其走向商业化应用的关键。以富含芳香结构单元的煤液化固体残渣为碳源,结合KCl/CaCl₂熔融盐的结构导向作用,可控制备了二维多孔碳纳米片（carbon nanosheets, CTx）,并探究其用于钠离子电池负极材料的电化学性能。研究发现,通过调控碳化温度可对煤基多孔碳纳米片的微观结构进行优化,在1000℃下制备的二维碳纳米片样品（CT1000）具有相对高的比表面积和丰富的缺陷结构。作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A·g^-1 的电流密度下,其可逆比容量为221.4 mAh·g^-1,当电流密度增加至10 A·g^-1时,比容量可以保持在124.4 mAh·g^-1,倍率性能优异。此外,在1 A·g^-1 的电流密度下经2000次循环后,比容量保持率高达94.2%,展现出较大的应用潜力。     

多孔FeF2正极材料的制备及电化学性能研究

利用分解反应中大比例质量损失和大量气体产生,制备出具有40.369m²·g^-1大比表面积的多孔FeF₂材料。多孔结构为FeF₂材料构建了优异的离子和电子导电通路,表现出优秀的倍率性能和循环性能。在2C、5C和15C的倍率下分别表现出589.21mAh·g^-1、406.95mAh·g^-1和83.53mAh·g^-1的高放电比容量。在0.5C和2C下,循环100次后放电比容量分别为502.5mAh·g^-1和267.9mAh·g^-1。该结果为电池正极材料提升倍率性能提供了新思路。     

不同变质程度煤衍生硬炭的储钠行为研究

煤具有碳含量高、芳香结构发达、成本低廉等优点,是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。然而煤种类繁多且含有无机杂质,不同种煤热解成炭后材料的石墨化度、碳层间距和表面化学组成各异,导致煤基硬炭负极的电化学性能优化难以展开。选择四种不同变质程度的煤,采用酸洗脱灰、高温炭化的方法制备了系列煤基硬炭,研究了变质程度、炭化温度对煤基硬炭微晶结构和表面杂原子组成的影响,并考察了其相应的储钠行为。其中,褐煤1400℃炭化得到的硬炭性能最佳,在0.02 A·g^-1电流密度下表现出338.8 mA·h·g^-1的比容量和81.1%的首次库仑效率。优异的电化学性能归因于褐煤硬炭较大的碳层间距和丰富的储钠缺陷位点,提供了高嵌入和吸附储钠容量。     

石墨烯包覆材料的制备及电化学性能探究

为减少水滑石(Layered Double Hydroxide, LDH)用作电极材料时的体积膨胀效应造成电化学性能衰减,本文利用石墨烯纳米片包覆CoNi-LDH制备复合材料。该材料被用作负极材料时,比容量相对于LDH有明显的改善。在电流密度为0.05和2.0 A·g^-1时,所达到的首次放电容量是1388、495 mAh·g^-1。在0.05 A·g^-1的电流密度下,经过20个循环仍保持近乎70%的容量保持率。     

一维氮化钒纳米线在锂硫电池中的研究

锂硫电池以其高理论比容量、高能量密度、储量丰富等优点得到了人们的广泛关注,但锂硫电池充放电过程中存在的多硫化锂严重的穿梭效应等缺陷制约着其进一步发展。为了能有效抑制穿梭效应、改善锂硫电池性能,采用水热法制备了一种结晶良好、元素分布均匀的一维氮化钒纳米线,将其作为隔膜修饰材料后,电解液间的浸润性得到了改善,离子传输性能得到了提升;同时,修饰层的形成有效地覆盖了初始隔膜较大的孔洞,从而有效抑制了多硫化锂的穿梭效应,电池的倍率性能和循环性能得到了提升。0.1C下的初始放电容量可达1055 mAh·g^-1,0.5C、1C、2C、5C下的放电容量也能分别维持在862m Ah·g^-1、803m Ah·g^-1、736m Ah·g^-1和651m Ah·g^-1,1C循环后的容量能维持在641 mAh·g^-1。当正极硫负载量为3 mg·cm^-2时,3C循环后的容量也能维持在645 m Ah·g^-1。     

高分散SiO2/石油沥青基多孔碳用于锂离子电池负极

二氧化硅(SiO₂)作为锂离子电池负极材料具有理论容量高、放电电位低、成本较低等特点,但存在导电性差、充放电过程体积膨胀严重以及容量衰减过快等问题。以石油沥青为碳源,利用硅烷偶联剂KH-540对纳米α-Fe₂O₃模板剂进行表面化学包覆,然后将硅源修饰模板剂与碳源混合,经碳化、酸洗等步骤得到高分散SiO₂/石油沥青基多孔碳(SiO₂/PC)。所得SiO₂/PC作为锂离子电池负极材料,在1 A·g^-1电流密度下,循环900圈后仍具有640 mA·h·g^-1的高可逆比容量。研究结果表明,高度纳米化的SiO₂在高温碳化过程原位生成,紧密牢固地负载于多孔碳表面,提高了其导电性,同时能够有效缓解SiO₂在充放电过程中的体积膨胀,抑制SiO₂的团聚或粉化,从而表现出优异的电化学性能。     

ZIF-67衍生的多孔钴氧化物碳纤维制备及其储锂性能

以六水合硝酸钴、2-甲基咪唑为溶质，甲醇为溶剂，采用室温共沉淀法制备ZIF-67,并采用静电纺丝技术将ZIF-67掺杂在碳纤维中。研究了此负极材料的结构、形貌与电化学性能。由电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、综合热分析、X射线衍射（XRD）以及LAND电化学测试结果表明：以ZIF-67衍生的多孔钴氧化物碳纤维作为负极材料，具有较高比容量、良好的循环稳定性(在电流密度为100 mA·g^-1时，100次循环后比容量仍具有597.7 mAh·g^-1)。     

纤维素基生物质多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

以棉纤维素为原料,采用硝酸盐、尿素、纤维素共混后热裂解的方法制备分级多孔炭HPC样品,通过改变煅烧温度和KOH活化处理对多孔炭比表面积及孔结构进行调控。对比三个不同温度煅烧活化处理后样品的循环伏安曲线、恒电流充放电曲线、比容量等电化学参数,结果表明,4AC@HPC800样品作为超级电容器工作电极具有优良的电化学性能,其比表面积高达2433.8 m²·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下比容量高达234.7 F·g^-1,在大电流密度10 A·g^-1时依然有207.6 F·g^-1的比容量,具有良好的倍率性能;电极在2 A·g^-1的电流密度下循环10000次后依然有196.1 F·g^-1的比容量,表明其具有长时工作的特性。     

纤维素基生物质多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

以棉纤维素为原料,采用硝酸盐、尿素、纤维素共混后热裂解的方法制备分级多孔炭HPC样品,通过改变煅烧温度和KOH活化处理对多孔炭比表面积及孔结构进行调控。对比三个不同温度煅烧活化处理后样品的循环伏安曲线、恒电流充放电曲线、比容量等电化学参数,结果表明,4AC@HPC800样品作为超级电容器工作电极具有优良的电化学性能,其比表面积高达2433.8 m²·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下比容量高达234.7 F·g^-1,在大电流密度10 A·g^-1时依然有207.6 F·g^-1的比容量,具有良好的倍率性能;电极在2 A·g^-1的电流密度下循环10000次后依然有196.1 F·g^-1的比容量,表明其具有长时工作的特性。     

Fe2C和氮共掺杂的具有有序孔道结构碳膜用于锂硫电池正极

利用定向冷冻-碳化法制备了Fe₂C、氮共掺杂的碳膜（Fe₂C/N-C）作为一体化电极用于锂硫电池。由于其兼具规则的导电网络和连通的离子扩散通道,可有效缓解活性物质硫及放电终端产物导电性差的问题,且孔道结构亦可有效缓冲充放电过程活性物质的体积膨胀效应。该膜结构有利于电子传递和锂离子扩散,掺杂的Fe₂C纳米颗粒对多硫化锂具有较强的吸附作用以及向放电终端产物转化的催化作用,有效抑制了多硫化物的“穿梭效应”,提高硫利用率,显著提升电池的综合性能和循环稳定性。Fe₂C/N-C电极在载流量1.1 mg·cm^-2、1.0 C电流密度下循环100圈后得到833.0 mA·h·g^-1的比容量、99.3%的库仑效率、每圈容量衰减率低至0.02%,在较高载硫量3.8 mg·cm^-2时,0.2 C下循环100圈仍能取得714.3 mA·h·g^-1的比容量。     

WS2纳米结构的构筑及其储能性能研究

针对市场对于高性能储锂、储钠负极材料的巨大需求和解决金属硫化物存在的关键制约问题,设计并开发了一系列纳米棒、纳米块和微米球等不同形貌和纳米结构的硫化钨,研究了形貌和石墨烯表面修饰对硫化钨储能性能的影响。研究结果表明：相比于WS₂纳米块和WS₂微米球,WS₂纳米棒比表面积更大、结晶性更好,展现了更好的储能性能。进一步通过冷冻干燥法,在WS₂纳米棒表面包裹上一层石墨烯,有效地提升了所制硫化钨的循环稳定性和倍率性能。在500 mA·g^-1下循环500圈,其储钠放电容量仍保持在65.9 mAh·g^-1,在1 000 mA·g^-1下循环500圈,其储锂放电容量可保持在288.3 mAh·g^-1。     

Sb/Sb2O3/C复合纳米纤维膜制备与储锂性能研究

Sb作为锂离子电池负极材料具有较高的理论容量,但在合金/脱合金化过程中的体积粉化严重影响了其循环稳定性。本文首先合成了含锑MOF纳米片(Sb-MOF),并通过静电纺丝技术将其复合到纳米纤维中,经过热处理后制备了Sb/Sb₂O₃/C复合纳米纤维膜。得益于Sb/Sb₂O₃在碳基质中的高分散性,所得复合纤维膜在锂离子电池中表现出优异的倍率和循环性能,具体表现为：在0.1 A g^-1和4 A g^-1电流密度下,可逆比容量分别为713 m Ah g^-1和352 m Ah g^-1;在1 A g^-1电流密度下循环500次后容量保持率为82.3%。优异的储锂性能、简单的工艺以及自支撑特性使得该Sb/Sb₂O₃/C复合纳米纤维膜作为自支撑电极在锂离子电池领域具有较大的发展潜力。     

生物质衍生氮掺杂蜂窝状分级多孔碳用于高性能水系锌离子混合电容器

水系锌离子混合电容器(ZHCs)因其低成本、高安全性、优异的倍率性能以及超长的循环寿命引起了广泛的关注。以生物质鲜姜纤维作为前驱体，在碳酸氢钾和尿素的协同作用下，采用一步法合成了氮掺杂的蜂窝状多孔炭。所获得的多孔炭材料具有2 553.2 m²·g^-1的高比表面积和3.86%的氮掺杂量。这种独特的蜂窝状结构可使ZHCs(N-HHPC-1//Zn)在0.1 A·g^-1的电流密度下获得了148.8 mAh·g^-1的高比容量，并在30 A·g^-1的电流密度下获得53.6%的容量保持率。该策略可以为制备氮掺杂的生物质衍生多孔炭用于ZHCs提供新的思路。