酚醛树脂基碳材料及其复合物的制备及电化学性能研究

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进入21世纪以来,全球的能源枯竭及资源分配不均匀等问题越来越严重,能源危机已经到来,太阳能、潮汐能和风能等清洁能源的开发利用已经无法满足人类社会进步的需要,整个能源行业的转型已经迫在眉睫,而在这个过程中起到关键作用之一的是储能设备,作为先进的储能设备,超级电容器和锂离子电池具有优异的储能能力,在便携式电子设备和新能源等领域得到广泛的应用。随着人类社会的发展与进步,为了满足人们多元化的需求,超级电容器和锂离子电池急需进一步提升电化学性能。电极材料被认为是锂离子电池和超级电容器的心脏,对提升两类储能设备的电化学性能发挥着非常重要的作用。鉴于此,我们以酚醛树脂为原料,制备出孔结构可控的多孔碳材料,材料内部相互贯通的孔道结构保证了电解液顺利进入电极内部,最大限度的发挥了不同的孔结构的作用,达到提高超级电容器整体性能的效果。过渡金属氧化物也是常用的储能器件的电极材料,该类物材料在充放电过程中会发生氧化还原反应,可以提供较高的能量密度,但是,循环稳定性较差。本论文通过水热法制备出Cu2O纳米线/酚醛树脂基碳纳米带复合物(Cu2O NWs/CNBs),将其用于锂离子电池负极材料,在一定程度上提升了Cu2O纳米线(Cu2O NWs)的循环稳定性。主要成果如下:(1)以苯酚与甲醛为原料在碱性条件下制备酚醛树脂,将其用作碳源,使用镍盐作为催化剂,三嵌段聚合物F127作为模板,制备出一系列酚醛树脂基碳材料,并研究其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,镍盐显著影响多孔碳材料的形貌、孔道结构和石墨化程度。更重要的是,实验结果表明镍盐中的阴离子对碳材料的形成也起着重要的作用。多孔碳材料作为超级电容器电极材料时表现出良好的电化学性能。这归因于材料中介孔结构可以加速离子扩散,保证了微孔结构的充分利用。此外,介孔和微孔的合理比例在提高碳材料电化学性能方面也发挥了积极作用,较高的石墨化程度有利于电子的输运,同样改善其电化学行为。(2)以对苯二酚和甲醛为原料,在酸性条件下通过水热法制备了纳米带状前驱体。经过高温碳化处理,得到分布均匀的酚醛树脂基碳纳米带(CNBs),在作为超级电容器电极材料时,CNBs表现出良好的循环稳定性。此外,以CNBs为原料通过水热法制备了CNBs与Cu2O NWs的复合产物(Cu2O NWs/CNBs)。将制备的复合材料作为锂离子电池电极材料进行电化学测试,复合材料表现出了良好的电化学性能。复合材料的多孔结构可以提供更多的储锂活性位点,缩小了电子输运与离子扩散的路径。同时,在充放电过程中,CNBs提高了电极材料的导电性,同时抑制了Cu2O NWs的体积变化,从而提升材料的比容量和循环稳定性。
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