Li/Na-Se电池碳基复合正极材料的制备和研究

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锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和长循环寿命而广泛用于便携式电子设备。随着近年来电动汽车和清洁能源的发展,更高能量和功率密度的二次电池系统受到广泛关注。传统的LIBs正极材料,如LiFePO4、LiCoO2和LiMnO2等由于其理论比容量的限制,不能满足使用需求。因此,开发具有高能量密度的新电池系统是至关重要的。同时,钠离子电池(SIBs)由于原材料价格低廉储量丰富,对于大规模储能具有非常重要的意义。因此,研发高比容量与高能量密度的LIBs与NIBs的正极材料迫在眉睫。近年来,硒(Se)正极材料因其高理论容积比容量(3253 mAh cm-3)和高导电率而被认为是非常有希望的正极材料。但硒正极材料的应用仍面临着一些问题,比如在充放电过程中较大的体积膨胀、“穿梭效应”带来的不可逆的容量衰减、块儿状硒较低的利用率等。基于以上问题,本论文研究了不同碳基体对硒的固载作用,探讨了杂原子掺杂对锚定Se能力的影响,并且研究了MoSe2@CNT/GO复合中间层对Li-Se电池稳定性的提升问题。主要研究成果如下:(1)通过沉淀法制备辐射状谷氨酸锌(Zn-Glu)MOF前驱体,将其在高温下热解得到氮掺杂的微孔碳材料,并通过熔融扩散法负载硒。通过一系列的表征和分析,数据表明丰富的微孔可以很好地限制硒并缓解体积膨胀,较小的孔径可以大大提高硒的活性从而提高活性材料的利用率,掺杂的氮原子可以提供额外的化学吸附,增强基体与活性材料的亲和力,Se@N-HRMC表现出优异的储锂储钠性能。(2)采用水热法合成了一种三聚氰胺基多孔有机骨架,将其在高温下热解得到一种氮氧硫共掺杂的多孔碳纳米片材料,并通过熔融法负载硒。通过DFT计算表明,丰富的杂元素掺杂可以有效增强碳材料与活性材料之间的亲和力,且多孔结构可以有效的缓解体积膨胀并使电解液充分的浸润。一系列的电化学性能测试表明,所制备的NOS-PC电极具有优秀的储锂储钠性能。(3)通过席夫碱缩合反应,基于对苯二甲醛和间苯二胺在二氧六环中的的聚合反应合成了多孔有机聚合物前驱体,通过热解,得到了具有大孔和微孔的碳微球。在负载硒以后测试其储锂性能发现,容量衰减严重。基于此,我们设计了MoSe2@CNT/GO复合中间层来提高活性材料的利用率。对其电化学性能的一系列对比研究结果表明,MoSe2@CNT/GO中间层可以大大提高Se@PCP电极储锂循环稳定性。
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