定向碳納米管三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備及其儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池憑借能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小、無污染、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，成為新一代綠色環(huán)保電池。截止目前，鋰離子電池已被廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子器件，正逐步推廣應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車中。但受比容量、倍率性能的限制，現(xiàn)有商用鋰離子電池的性能，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前社會對它的高容量高倍率性能的需求。因此，研究者開展了改善鋰離子電池性能的研究。碳納米管以其優(yōu)越的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能成為物理、化學(xué)和材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。碳納米管本身

2、所具備的較大比表面積和優(yōu)越導(dǎo)電性，使其在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的潛在應(yīng)用價(jià)值。對于儲氫和儲鋰為基礎(chǔ)的能源科學(xué)而言，碳納米管在吸附、催化和儲能等方面表現(xiàn)出的應(yīng)用價(jià)值，使其成為較理想的電極基體材料。在本論文中，控制合成了摻氮定向碳納米管，并以此為框架，分別與氧化鎳、二硫化錫以及硫復(fù)合形成三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并考察其作為鋰離子電池和鋰硫電池電極材料的儲鋰性能，主要研究內(nèi)容如下:
　　采用浮動催化法熱解不同濃度的二甲苯/環(huán)己胺混合碳源，通過調(diào)整

3、碳源中二甲苯和環(huán)己胺的比例，制備出具有不同結(jié)構(gòu)、形貌，以及不同氮含量的碳納米管陣列。在分析氮摻雜量對碳納米管陣列結(jié)構(gòu)形貌影響的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了摻氮定向碳納米管(NACNTs)陣列的可控制備，并考察了氮摻雜量對NACNTs陣列儲鋰性能的影響。結(jié)果表明環(huán)己胺含量為35％時制備的NACNTs定向性好、管徑大、放電比容量最高。
　　通過噴霧法制備NACNTs/NiO復(fù)合材料，研究了噴霧時間對產(chǎn)物的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著噴霧時間延長，NAC

4、NTs表面沉積的NiO顆粒數(shù)目逐漸增多，直至NiO顆粒在NACNTs表面出現(xiàn)團(tuán)聚。此外，還考察了不同NACNTs含對量復(fù)合材料的儲鋰性能的影響。研究顯示:當(dāng)NACNTs的含量為31.9％時，NACNTs/NiO電極所產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)使其表現(xiàn)出極好的電化學(xué)性能。具體表現(xiàn)在較高的放電比容量(0.1 C倍率下，7次循環(huán)之后，放電比容量保持在620 mAh g-1)、良好的循環(huán)穩(wěn)定性(0.5 C倍率下，50次循環(huán)之后，比容量為600 mAh g-1

5、)以及較好的倍率性能（2 C倍率下，比容量保持率為55.8％）。
　　通過簡單的水熱法制備純SnS2、 CNTs-SnS2復(fù)合材料，采用噴霧法制備NACNTs-SnS2復(fù)合材料，比較了不同CNTs含量對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的影響。電化學(xué)性能測試表明:相比于CNTs-SnS2復(fù)合材料和SnS2，NACNTs-SnS2復(fù)合材料在放電比容量及循環(huán)穩(wěn)定性等方面均有較大提高。同時，嘗試探討了NACNTs對SnS2儲鋰性能改善的原因。研究表明:

6、當(dāng)NACNTs的含量為32.8％時，NACNTs-SnS2電極所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)使其表現(xiàn)出極好的電化學(xué)性能。具體表現(xiàn)在:(50 mA g-1的電流密度下，第7次循環(huán)樣品NACNTs-SnS2-20的放電比容量為645mAh g-1)，更好地循環(huán)穩(wěn)定性能(在100 mA g-1的電流密度下，充放電50次，NACNTs-SnS2-20的放電比容量為551 mAh g-1)以及更優(yōu)的倍率性能（在1000 mAg-1的電流密度下，NACNTs-S

7、nS2-20放電比容量和容量保持率為別為287 mAh g-1和44.5％）。
　　采用KOH活化刻蝕NACNTs管壁，打開其內(nèi)腔，通過調(diào)整KOH/NACNTs比值，制備出一系列分級多孔摻氮定向碳納米管陣列(HPNACNTs)。研究表明當(dāng)KOH/NACNTs=5時，所制備的HPNACNTs具有最大的比表面和孔容，分別為292.2m2g-1和0.37cm3g-1。以這一系列分級多孔HPNACNTs為導(dǎo)電載體，采用熔融浸漬法制備出HP