PTCDA改性钠离子电池负极材料的制备与性能研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jsww2009
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钠资源丰富、成本低廉,因此钠离子电池被认为是面向规模储能应用的理想选择之一。发展高性能、低成本的电极材料是钠离子电池走向实用化的关键。硬碳具有结构稳定、成本低廉、制备工艺简单等优势,是最有实用化前景的钠离子电池负极材料;金属硒化物负极材料具有较高的理论储钠容量,面向高比能应用,优势突出。然而,单一硬碳材料或金属硒化物都难以兼顾高容量、高首效和长循环寿命等性能。本文以3,4,9,10苝四甲酸二酐(PTCDA)为原料,通过构筑异质结构和表面包覆的方式,分别对酚醛树脂基硬碳、蔗糖基硬碳、NiCo Se2进行改性,合成出高性能的钠离子电池负极材料。(1)PTCDA改性酚醛树酯基炭材料的制备与储钠性能研究。以PTCDA为原料制得PTCA有机酸,在浓硫酸的催化作用下,将PTCA有机酸与酚醛树脂通过酯化反应交联,提高树脂分子链的热稳定性,减少熔融过程产生的缺陷,同时抑制碳化过程中石墨化畴的形成和增长,提高炭材料的无序度。探究了酚醛树脂和PTCDA的比例对改性酚醛树脂基硬碳材料的结构和储钠性能的影响。与酚醛树脂直接热解制备的炭材料相比,PTCDA改性树脂基炭材料具有大的层间距(0.394 nm)和较小的比表面积(4.8 m~2g-1),用作钠离子电池负极材料,表现出优异的电化学性能。酚醛树脂热解炭在0.1 C倍率下的比容量为163.3 m Ah g-1,首次库伦效率为73.3%,而PTCDA改性处理后的酚醛树脂基碳材料比容量可达308.7m Ah g-1,首次库伦效率为77.9%,在0.5 C倍率下循环300圈后容量保持率为90.4%。表明PTCDA改性是一种增加炭材料无序度、减少表面缺陷、提高电化学性能的有效方法。(2)PTCDA改性蔗糖基碳微球的制备与储钠性能研究。以蔗糖为原料,通过水热合成蔗糖碳微球中间体,并通过酸黏的策略在其表面包覆上一层PTCDA基软碳,提高碳材料的结构稳定性,减少碳材料的表面缺陷,增加碳微晶的无序度与层间距。与未改性的蔗糖基碳微球相比,PTCDA改性蔗糖基碳微球的电化学储钠性能显著改善。蔗糖碳微球在0.1 C倍率下的比容量为256.8 m Ah g-1,循环100圈的容量保持率为68.3%;而PTCDA改性蔗糖基碳微球在0.1 C倍率下的比容量可达329.5 m Ah g-1,首次库伦效率为84.7%,循环100圈的容量保持率为93.4%,在1 C倍率下,比容量仍能保持120.2 m Ah g-1,是一种很有前景的钠离子电池炭负极材料。(3)PTCDA改性NiCoSe2复合材料的制备与储钠性能研究。将PTCDA钠盐与Ni(CH3COO)2和Co(CH3COO)2以一定比例混合,经过高温水热得到六棱柱的金属有机框架NiCo-PTCDA-MOF,再在惰性气氛下高温碳化、硒化,制备得到棱柱状的NiCo Se2@C复合材料。在NiCo Se2@C中,PTCDA衍生炭能有效缓冲充放电过程中NiCo Se2的体积膨胀,从而改善电极的循环稳定性。在100 m A g-1电流密度下,NiCo Se2经过100圈循环后容量由456.7 m Ah g-1衰减至51.5 m Ah g-1,容量保持率仅为11.3%;而NiCo Se2@C复合材料经过100圈循环后,仍保持442.4 m Ah g-1的高比容量,容量保持率提高至91%。得益于PTCDA衍生炭优异的导电性,NiCo Se2@C还表现出优异的倍率性能,当电流密度提高至20 A g-1和40 A g-1时,比容量仍能保持242.5 m Ah g-1和171.3 m Ah g-1,而未包覆的NiCo Se2在10 A g-1电流密度下就无法进行充放电。以PTCDA作有机配体制备MOF,原位合成碳包金属硒化物,为高性能钠离子电池负极材料的制备提供了新的思路。
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