多孔碳纳米片的合成及在钠离子电池中的应用

本文以氯化钠为硬模板、硝酸镍为金属源、葡萄糖为碳源,在氮气气氛中于750 ^oC通过一步热解法合成嵌镍碳纳米片,然后经酸处理得到多孔碳纳米片. 通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）和比表面积测定（BET）表征多孔碳纳米片的形貌和结构. 结果显示：多孔碳纳米片孔分布均匀,孔径大小均一;经过酸处理后,碳材料的石墨化程度降低;具有较大的比表面积（约340 m²•g^-1）. 电化学测试表明,电极在100mA•g^-1电流密度下,经过200周循环放电后比容量可维持在309.4 mAh•g^-1,甚至在1000 mA•g^-1 的大电流下其放电比容量仍然可达到173mAh•g^-1,表现出良好的循环稳定性和倍率性能,其在钠离子电池负极材料方面具有潜在的应用前景.     

在多元醇体系中一锅法合成具有良好储锂性能的介孔碳-锡复合材料

以介孔碳(MC)为导电和支撑介质, 在多元醇体系中通过简便的化学还原方法制备纳米结构的介孔碳-锡(MC-Sn)复合材料. 采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和恒电流充放电实验对所得产物的形貌、结构及电化学性能进行表征. 结果表明, 大量的Sn纳米颗粒均匀且致密地附着在介孔碳上. 作为锂离子电池负极材料, MC-Sn复合物表现出了较好的循环性能和倍率性能. 例如, 在100 mA•g^-1的充放电速率下循环40圈, 其放电比容量保持在721.5 mAh•g^-1; 当充放电速率增大到1 A•g^-1时, 其放电比容量仍高达265.8 mAh•g^-1. 简单的制备方法和优越的储锂性能,使得MC-Sn复合材料成为一种理想的高性能锂离子电池负极材料.     

芘基共轭微孔聚合物用于锂离子电池电极材料性能研究

共轭微孔聚合物由于其高的比表面积、优良的物理化学稳定性以及沿分子链延伸的共轭结构等特点,使其在锂离子电池电极材料方面具有巨大的应用前景.本工作以四溴芘和对苯二硼酸为构建单元,通过Suzuki偶联反应合成了具有高比表面积的芘基共轭微孔聚合物PyDB,并研究了其作为锂离子电池电极材料的电化学性能.当PyDB用作锂离子电池正极材料时,在50 mA·g^-1的电流密度下,放电容量达到163 mAh·g^-1,即使在3000 mA·g^-1的电流密度下仍具有62 mAh·g^-1的可逆容量,在100 mA·g^-1的电流密度下循环300次仍具有167 mAh·g^-1的容量.当该聚合物用作负极材料时,在50 mA·g^-1电流密度下的放电容量达到495 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下循环300次,仍具有245 mAh·g^-1的容量.PyDB优异的电化学性能主要归因于其延伸的共轭结构和高比表面积的多孔结构,大的共轭结构有利于分子链的掺杂反应和电子传导,高比表面积的多孔结构有利于提供大量的活性位点并促进离子的迁移.     

碳空心球/硫复合材料制备和电化学性能研究

采用PMMA为模板制备碳空心球材料,并以碳空心球材料为导电骨架与硫材料复合制得碳空心球/硫复合材料. SEM和TEM照片显示,硫材料能均匀地填充在碳空心球的孔道和腔体内部. 采用恒电流充放电测试碳空心球/硫复合电极的电化学性能. 结果表明,在100 mA·g^-1、500 mA·g^-1、1 A·g^-1、2 A·g^-1 和5 A·g^-1电流密度下,碳空心球/硫复合电极可逆放电容量分别为1145 mAh·g^-1、824 mAh·g^-1、702 mAh·g^-1、586 mAh·g^-1和395 mAh·g^-1,呈现出较优异的倍率循环寿命.     

均匀负载氧化镍纳米颗粒多孔硬碳球的制备及其高性能锂离子电池负极材料应用

利用水热法制备了粒径为90-130 nm的多孔硬碳球, 并通过浸渍与煅烧的方法制备了硬碳球均匀负载纳米氧化镍颗粒(~10 nm)复合材料. 硬碳球的表面官能团和内部的微孔保证了氧化镍颗粒在硬碳上的均匀分布. 在100 mA·g^-1的电流密度下, 复合材料电极首次充电比容量高达764 mAh·g^-1; 在100 mA·g^-1的电流密度下循环100 个周期后电极充电比容量保持在777 mAh·g^-1, 容量保持率为101%; 800 mA·g^-1电流密度下电极的充电比容量达380 mAh·g^-1, 显示复合材料电极具有优异的循环性能和倍率性能. 硬碳的表面官能团和内部微孔为氧化镍提供了优先形核位点, 保证了二者的牢固结合, 使复合材料获得了“协同效应”, 从而使复合电极具备更短的锂离子扩散路径、更高的电导率和更多的锂离子脱嵌位点. 这种方法还可用于制备硬碳/其他金属氧化物复合材料.     

微波诱导等离子体技术制备rGO@S复合正极及其在高倍率锂硫电池中的应用

锂硫电池具有高能量密度、低成本和环境友好等优势,有望满足市场日益增长的需求。然而,其正极材料中的活性物质硫存在溶解穿梭等问题,限制了锂硫电池的大规模应用。本文利用氧化石墨(GO)作为碳源、升华硫作为硫源,通过微波诱导等离子体技术(MIP)快速高效(30-40 s)地制备得到了还原氧化石墨烯负载硫纳米颗粒锂硫电池复合正极材料(rGO@S),其中,rGO褶皱卷曲、相互连接的层片状结构,有利于电解液中的锂离子向电极材料中扩散和迁移,同时有利于提高电极材料的导电性,且rGO上的含氧官能团也能够起到对硫纳米颗粒的固定作用,有利于电极材料循环稳定性的提升。得益于其独特的形貌结构,rGO@S在电池测试中表现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性。在0.1 A·g^-1的电流密度下,rGO@S的可逆比容量为1036 mAh·g^-1,当电流密度增大到8 A·g^-1其可逆比容量仍高达832 mAh·g^-1,且经过8 A·g^-1的超大电流密度充放循环,当电流密度回到0.1 A·g^-1...     

还原氧化石墨烯/TiO2复合材料在钠离子电池中的电化学性能

二氧化钛(TiO₂)作为有前景的钠离子电池负极材料, 具有良好的循环稳定性, 但由于其导电率较低, 而导致容量和倍率性能不佳限制了其实际应用. 本文采用喷雾干燥技术制备了氧化石墨烯/纳米TiO₂复合材料(GO/TiO₂), 通过热处理获得还原氧化石墨烯/TiO₂复合材料(RGO/TiO₂). 电化学测试结果表明, 还原氧化石墨烯改性的RGO/TiO₂复合材料的电化学性能得到显著提升, RGO含量为4.0%(w)的RGO/TiO₂复合材料在各种电流密度下的可逆容量分别为183.7 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 153.7 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和114.4 mAh·g^-1 (600mA·g^-1), 而纯TiO₂的比容量仅为93.6 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 69.6 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和26.5 mAh·g^-1 (600mA·g^-1). 4.0%(w) RGO/TiO₂复合材料体现了良好的循环稳定性, 在100 mA·g^-1电流密度下充放电循环350个周期后, 比容量仍然保持146.7 mAh·g^-1. 同等条件下, 纯TiO₂电极比容量只有68.8 mAh·g^-1. RGO包覆改性极大提高了TiO₂在钠离子电池中的电化学嵌钠/脱钠性能. RGO包覆改性技术在改进钠离子电池材料性能中将有很好的应用前景.     

氮掺杂多孔炭片的模板法制备及其储锂性能研究

以氧化镁/三聚氰胺/聚乙二醇混合物为初始原料,通过模板辅助的方法成功地制备了高储锂性能的氮掺杂多孔炭片（NPCSs）.采用红外光谱（FTIR）、X射线粉末衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）和交流阻抗（EIS）对样品进行了详细地表征和分析.结果显示：NPCSs为交错连接的多孔炭片网络,并显示出较高的比表面积（370.8 m²·g^-1）、多级的孔道和高的氮含量（8.5 at%）.这种连续多孔的结构,有利于电子在三维方向的传输,缩短了锂离子扩散的距离,扩大了锂离子与电极的接触面积,也为锂离子的储存提供了有利场所.此外,高的氮掺杂水平为锂离子的嵌入和脱出提供了大量的活性位点,增强了材料的导电性.基于此独特的结构,NPCSs电极显示了高的首次可逆比容量（电流密度为100 mA·g^-1时,扣除乙炔黑贡献后的比容量为914 mAh·g^-1）和较好的循环稳定性（电流密度为1000 mA·g^-1,循环至300圈,仍保留523 mAh·g^-1的比容量）.而且,该材料显示出较高的倍率性能,在电流密度为3000 mA·g^-1时的可逆比容量达到355 mAh·g^-1.因此,所获得的NPCSs有望成为锂离子电池负极材料.     

高倍率锂离子电池负极材料:氮掺杂碳纳米笼

锂离子电池具有能量密度高和循环性好等优点, 广泛应用于小型移动设备等领域, 但尚不能满足需要兼具高容量和高倍率性能的应用要求. 以兼具高比表面积、氮含量高且可调、良好石墨化程度、多尺度分级结构(含孔结构)、有微孔通道的寡层笼壁结构等特征的氮掺杂碳纳米笼(NCNC)为锂离子电池负极材料, 展现出高的比容量、优异的倍率性能和稳定性, 譬如: 在0.1 A·g^-1小电流密度下, NCNC800的循环稳定的充电比容量可以高达约900 mAh·g^-1, 显著优于商业石墨; 在20.0 A·g^-1大电流密度下, 循环500圈后的可逆比容量仍能稳定在约135 mAh·g^-1. 如此优异的电化学性能可归因于NCNC的结构特征, 如高比表面积、良好石墨化程度、独特介观结构和孔结构, 这些特征有利于锂离子传输、电解液渗透和电子传导等. 这为开发高倍率和高比容量的锂离子电池负极材料提供思路.     

石墨烯/多孔纳米硅负极的电化学性能

采用酸浸蚀Al-Si合金的方法制备了多孔纳米Si,并用其制作以石墨烯为导电材料的石墨烯/多孔纳米Si负极. SEM和TEM的分析表明两者混合均匀. 作为锂离子电池的负极,该电极在1 mol•L^-1 LiPF₆/EC(碳酸乙烯酯):DMC(碳酸二甲酯) = 1:1(by volume) + 1.5%(by mass)VC(碳酸亚乙烯酯)溶液中、0.5 A•g^-1电流密度下,第120周循环的放电比容量为1842.6 mAh•g^-1,充放电效率为98.6%. 石墨烯的加入不仅提高了电极的导电性,而且减缓了充放电过程中电极多孔纳米结构的衰变.     

PEG包覆涂层对含碳纤维导电剂的锂硫正极材料的影响

通过球磨混合及聚乙二醇（PEG）包覆处理制备含有高模量碳纤维（HMCF）的硫基复合材料.采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测定材料的结构和形貌,采用X-光电子扫描能谱（XPS）验证了PEG包覆在材料的表面,较系统地研究了PEG含量对含有高模量碳纤维的硫正极比容量、循环稳定性和倍率性能等性能的影响.结果表明：和常用的导电剂乙炔黑(AB)相比,HMCF导电剂具有结晶度高,接触角小,吸液性能好等优点.当PEG涂层量为1.09%时,硫正极初始放电容量为1312.5 mAh·g^-1,在电流密度为200 mA·g^-1充放电时,50次循环以后可逆容量保持为650 mAh·g^-1,和没有PEG涂层相比,循环稳定性提高了39.9%.     

碳布负载的缺氧型Na2Ti3O7纳米带阵列作为高性能柔性钠离子电池负极材料

作为锂离子电池的理想替代品,钠离子电池因具有能源储备丰富、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。柔性便携式电子产品的发展亟需柔性储能器件的研制。因此,发展一种廉价、高性能的柔性钠离子电池负极材料成了科研工作者的共同目标。在此项工作中,我们通过简单的水热合成和热还原法发展了一种以柔性碳布为基底,与缺氧型的Na₂Ti₃O₇纳米带(NTO)构成三维阵列结构的新型柔性钠离子电池负极材料。复合材料(R-NTO/CC)的导电性和活性位点得到提高,电化学性能也大幅提升,在200 mA·cm^-2的电流密度下,实现100 mAh·cm^-2的面积比容量,且经过200次循环后仍保留最初电容值的80%。此外,这种电极还具有优良的倍率性能,当电流密度提高到400 mA·cm^-2时,仍保持69.7 mAh·cm^-2的面积比容量,是未引入氧空位材料的三倍之多。这种三维缺氧的电极材料可有效提高载流子浓度,缩短离子传输通道,从而大幅提升电极的电化学性能。此工作为设计合成高储钠性能的新型的负极材料提供了一种实用有效的策略。     

Sub-100 nm hollow SnO2@C nanoparticles as anode material for lithium ion batteries and significantly enhanced cycle performances

Rational designing and controlling of nanostructures is a key factor in realizing appropriate properties required for the high-performance energy fields. In the present study, hollow SnO₂@C nanoparticles (NPs) with a mean size of 50 nm have been synthesized in large-scale via a facile hydrothermal approach. The morphology and composition of as-obtained products were studied by various characterized techniques. As an anode material for lithium ion batteries (LIBs), the as-prepared hollow SnO₂@C NPs exhibit significant improvement in cycle performances. The discharge capacity of lithium battery is as high as 370 mAh g^-1, and the current density is 3910 mA g^-1(5 C) after 573 cycles. Furthermore, the capacity recovers up to 1100 mAh g^-1 at the rate performances in which the current density is recovered to 156.4 mA g^-1(0.2 C). Undoubtedly, sub-100 nm SnO₂@C NPs provide significant improvement to the electrochemical performance of LIBs as superior-anode nanomaterials, and this carbon coating strategy can pave the way for developing high-performance LIBs.     

Multilayer Porous Vanadium Nitride Microsheets Anodes for Highly Stable Na-ion Batteries

Sodiumion batteries(SIBs)have attracted intensive attention as promising alternative to lithium-ionbatteries(LIBs)for large scale energy storage systems because of low cost of sodium,similar energy storage mechanism and the reasonable performance.However,it is still a great challenge to search and design a robust structure of anode materials with excellent cycling stability and high rate capability for SIBs.Herein,multilayer porous vanadium nitride(VN)microsheets are synthesized through a facile and scalable hydrothermal synthesis-nitrogenization strategy as an effective anode material for SIBs.The multilayer porous VN microsheets not only offer more active sites for fast Na+insertion/extraction process and short diffusion pathway,but also effectively buffer the volume change of anode due to more space in the multilayer porous structure.The large proportions of capacitive behavior imply that the Na+charge storage depends on the intercalation pseudocapacitive mechanism.The multilayer porous VN microsheets electrodes manifest excellent cycling stability and rate capability,delivering a discharge capacity of 156.1 mA·h/g at 200 mA/g after 100 cycles,and a discharge capacity of 111.9 mA·h/g at 1.0 A/g even after 2300 cycles with the Coulombic efficiency of nearly 100%.     

碳包覆纳米SnSb合金作为高性能钠离子电池负极材料

采用喷雾热解法合成了碳包覆的SnSb/C合金复合材料,利用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)等方法对产物的物相和形貌进行了表征,其中SnSb/C颗粒为10 nm左右的复合材料(10-SnSb/C)作为钠离子电池负极时,表现出优异的循环和倍率性能。首圈放电达到722.1m Ah·g~(-1),首圈库仑效率86.3%,在100、1000、3000 m A·g~(-1)下比容量分别为607.7、645.4、452.2 m Ah·g~(-1),在1000 m A·g~(-1)电流下循环200周后可逆容量达到623 m Ah·g~(-1),容量保持率为95%。SnSb/C复合材料出色的储钠性能源于其完全被碳包裹的纳米结构,该结构可以有效提高活性物质的利用率,促进电子、离子的传导,并且抑制纳米粒子在长循环过程中的粉化和团聚。     

Ni/Mn3O4/NiMn2O4@RGO空心微球负极的制备及其储钠性能

采用溶剂热法制备前驱体,后经350 °C热处理,首次合成了空心结构的NiMn₂O₄微球以及不同含量氧化石墨烯包覆的Ni/Mn₃O₄/NiMn₂O₄@RGO复合材料. 电化学性能测试表明,复合负极材料中,含25wt%还原氧化石墨烯的材料储钠性能最佳,其在50 mA·g^-1电流密度下,100次循环后放电比容量保持在187.8 mAh·g^-1,且800 mA·g^-1电流密度下的可逆容量高达149.9 mAh·g^-1,明显优于NiMn₂O₄及其他石墨烯基复合材料. 研究指出,复合材料性能的提升得益于空心微球和还原的氧化石墨烯构成的特殊结构,一方面缩短了电子/离子传输距离,缓解了体积效应,另一方面高导电网络有效增强了活性物质利用率.     

锂离子电池负极材料Li3V2(BO3)3/C 复合材料的合成及电化学性能研究

本文以草酸锂、五氧化二钒、硼酸为原料,二水合草酸为碳原和还原剂,无水乙醇为分散剂,采用球磨法合成了Li₃V₂(BO₃)₃/C（LVB/C）复合材料前驱体,后经高温热处理得到LVB/C复合材料. 采用TG-DTA技术对前驱体进行了热分析,通过XRD、SEM、EDS等技术研究了烧结条件对 LVB/C 材料的晶体结构、微观形貌、含碳量的影响. 通过恒流充放电测试、循环性能测试、循环伏安测试和电化学阻抗测试等技术研究了烧结条件对 LVB/C 材料电化学性能的影响. 电化学测试结果表明,800 ℃下烧结10 h得到的样品电化学性能最佳,在50mA•g^-1电流密度下,首次充放电比容量分别为427.6mAh•g^-1和669.1 mAh•g^-1,循环10次后,容量保持率分别为55.4 %和35.2 %.     

NiCo_2S_4六角片作为钠离子电池负极材料的电化学性能及储钠动力学

通过共沉淀以及后续的气相硫化成功制备了横向边长约为2μm,纵向厚度约为30 nm的NiCo_2S_4六角片,并研究了其作为钠离子电池负极材料的电化学性能。电化学性能测试结果显示在1000 mA·g~(-1)的电流密度下,NiCo_2S_4电极循环60次后仍然可保持约387mAh·g~(-1)的可逆比容量。此外,NiCo_2S_4电极还具有良好的倍率性能,在200、400、800、1000和2000mA·g~(-1)的电流密度下,容量分别为542、398、347、300和217mAh·g~(-1)。通过进一步动力学机制分析发现,NiCo_2S_4电极的良好的倍率性能得益于其二维片层状结构诱导产生的赝电容。上述结果表明,NiCo_2S_4纳米六角片是一种极具潜力的钠离子电池负极材料。     

中空核壳结构Ni1.2Co0.8P@N-C钠离子电池负极材料的制备及拉曼研究

本文设计制备了一种新型的氮掺杂碳包覆镍钴双金属磷化物中空核壳结构纳米立方体(Ni_1.2Co_0.8P@N-C)作为钠离子电池负极材料. 该材料以镍钴类普鲁士蓝(PBA)纳米粒子为模板,先后经水热法、磷化法和高温碳化处理后合成. 将其作为活性材料应用在钠离子电池中,该材料展现出优异的循环稳定性,当以100 mA·g^-1的电流密度循环至200圈时,该材料的库仑效率保持在99.3%. 进一步通过对不同电位下Ni_1.2Co_0.8P@N-C材料中的氮掺杂碳进行原位拉曼光谱测试,结果显示钠离子在氮掺杂的碳壳中的脱嵌行为具有较大程度的可逆性,研究结果对钠离子电池充放电过程的后续电化学研究提供了有价值的信息.