硼酸鹽和有機共軛羰基類納米材料的合成及其半-全電池性能研究.pdf

1、過渡金屬硼酸鹽因其優(yōu)異的物理特性已被用于非線性光學、壓電、鐵電和半導體等領域，但其在鋰離子電池方面的應用還處于研究初期。目前過渡金屬硼酸鹽負極材料的種類相對較少、合成方法較為單一、機理研究尚不透徹，阻礙了其進一步發(fā)展。
　　鈉離子二次電池因其自身優(yōu)點被看作下一代鋰離子電池尤其是在大型儲能設備領域的替代品。但鈉離子半徑相對較大，傳統(tǒng)的鋰離子電池電極材料不能夠直接沿用。因此，開發(fā)適合容納鈉離子的電極材料是非常有必要的。
　　針對

2、上述鋰離子/鈉離子電池面臨的問題，本論文中主要在硼酸鹽和有機共軛羰基化合物方面開展了相關的工作，主要包括以下四部分:
　　(1)一維硼酸錳材料的合成及其鋰電性能研究。
　　以NH4HB4O7和Mn(YO3)2分別為硼源和錳源，通過選擇不同的溶劑經(jīng)過簡單的水熱/溶劑熱過程，得到了兩種一維Mn3B7O13OH納米棒和MnBO2OH納米棒束前驅體，經(jīng)后續(xù)煅燒過程分別得到了Mn2OBO3納米棒和納米棒束。通過控制水熱/溶劑熱過程的反

3、應時間發(fā)現(xiàn)，一維納米棒和納米棒束的形成過程可能經(jīng)歷了成核+聚集結晶+相轉化-定向生長四個階段。將所得四種硼酸鹽材料首次作為鋰離子電池負極材料進行電化學性能研究發(fā)現(xiàn)，Mn2OBO3與相應的Mn3B7O13OH納米棒和MnBO2OH納米棒束前驅體相比，比容量較高、循環(huán)穩(wěn)定性更好。采用了預嵌鋰的方式，有效地將Mn2OBO3首圈庫倫效率從55％左右提高到了75％以上。選擇性能最好的是Mn2OBO3納米棒為代表進行了與商業(yè)化正極材料磷酸鐵鋰和鈷酸

4、鋰材料全電池的組裝并測試了其電化學性能，為硼酸鹽材料的實際應用提供了參考價值。
　　(2)網(wǎng)狀硼酸鋅鋰/C復合材料的半/全電池性能研究。
　　通過采用聚合物熱解的方法得到了硼酸鋅鋰/C(LiZnBO3/C)的復合材料，其作為鋰離子電池負極材料在500mAg-1電流密度下其初始比容量為860mAhg-1且循環(huán)穩(wěn)定性非常好，在循環(huán)400圈后比容量仍能保持在600mAhg-1。通過非原位的XRD測試和CV曲線得出LiZnBO3/C

5、的首圈儲鋰過程可能為脫嵌+轉化-合金三種混合機制。此外，LiZnBO3/C與過量的商業(yè)LiCoO2進行了全電池的組裝，并測試了其性能。全電池在100mAg-1電流密度下首圈可逆比容量可達658.2mAhg-1，循環(huán)400圈后容量保持在603mAhg-1，每一圈的平均容量衰減率僅為0.02％。LiZnBO3/C網(wǎng)狀結構復合材料相對于單一的LiZnBO3，不僅提高了材料的導電性、提供了網(wǎng)狀的鋰離子傳輸通道，還緩解了循環(huán)過程中材料的體積變化，

6、同時能夠防止LiZnBO3顆粒之間的團聚。這種簡單的復合材料的合成方法為硼酸鹽材料的制備提供了新的思路。
　　(3)醌基聚合物/石墨烯多孔材料在醚類電解液中的鈉電性能研究
　　以氯冉酸和硫化鈉為原料通過一步簡單聚合得到了聚硫化冉酸鈉鹽，研究了其作為鈉離子電池正極材料的性能。從合成到測試整個過程，將極性反轉、聚合、與碳材料復合、醚類電解液的選擇等策略之間實現(xiàn)了有機地結合。石墨烯的加入，不僅能夠提高導電性，還能夠促使聚合物在石墨

7、烯上生長成多孔的聚合物/石墨烯復合材料。醚類電解液的選擇進一步緩解有機材料的在電解液中的溶解性問題。多孔聚合物/石墨烯復合材料所表現(xiàn)出的電化學性能不僅高于氯冉酸鈉鹽，也高于單獨的石墨烯和聚合物材料。在0.1、0.2、0.4、0.8、2和4C的電流密度下，其比容量分別為228、214、203、193、172和147mAhg-1。此外，以所得聚合物/石墨烯復合材料作為正極與對苯二甲酸鈉進行了全電池的組裝，所得全電池表現(xiàn)出了較高的首圈比容量。

8、
　　(4)醌基一維材料全有機電池體系的構筑及其電化學性能研究
　　采用簡單溫和的回流法合成了一維棒狀含硫醚鍵的醌基有機化合物—苯并[b]萘并[2'，3'∶5，6][1，4]二噻英[2，3-i]噻蒽+5，7，9，14，16，18-己酮(BNDTH，Benzo[b]naphtho[2',3'∶5,6][1,4]dithiino[2,3-i]thianthrene-5,7,9,14,16,18-hexone)。將其作為鋰離子電池