多級孔道炭材料的制備及其電化學性能研究

多級孔道炭材料的制備及其電化學性能研究在動力電源和儲能領域中,高能量密度、高功率密度的超級電容器和鋰離子電池具有重要的應用前景,而實現(xiàn)超級電容器和鋰離子電池在動力電源領域應用的關鍵之一是制備容量高、倍率性能好、循環(huán)壽命長、安全性好的電極材料,如炭電極材料、過渡金屬氧化物電極材料和有機導電聚合物材料等。在眾多的電極材料中,炭電極材料以其獨特的化學穩(wěn)定性,良好的電子導電能力,豐富的比表面積以及相對低廉的生產(chǎn)成本等優(yōu)點,備受人們的關注。傳統(tǒng)活性炭電極材料由于其較小的微孔孔徑,導致其有效比表面積較低,同時表面化學成分可控性差,應用于超級電容器和鋰離子電池中,所提供的能量密度和功率密度較低,循環(huán)穩(wěn)定性也較差。為了提高電極材料的電化學容量和循環(huán)穩(wěn)定性,需要在保持炭材料高比表面積的同時,有效地擴大其孔徑,縮短孔道的軸向長度,從而促進電解液在電極材料界面處的快速傳輸和有效擴散；同時,對材料的表面進行化學摻雜,改變炭骨架的電子云密度和極性,可提高其電子導電能力和表面潤濕性。因此,本文以電極材料的結(jié)構(gòu)設計為導向,使用溶液化學法合成了一系列新型多孔炭電極材料,并研究了材料的結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關系。具體包括以下四個方面：(1)針對傳統(tǒng)多孔炭電極材料單位面積比容量和單位體積比容量低的問題,選擇苯并嗯嗪聚合體系,以F127為中孔模板,采用含硼離子液體作為硼源和孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑,設計合成了氮、硼共摻雜的串聯(lián)型大孔-中孔-微孔分多級孔結(jié)構(gòu)炭材料。材料的比表面積為373～529m2g-1,孔體積為0.20～0.36cm3g-1,氮和硼的含量分別為0.6～1.2%和0.05～0.66%。應用于超級電容器電極材料顯示優(yōu)秀的電容行為：在0.5Ag-1的電流密度下具有高達247Fg-1的比電容,面積比電容可達66μFcm-2,體積比電容達到101Fcm-3,經(jīng)過4000次循環(huán)仍然能夠保持96.2%的初始電容值,顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能。(2)為了提高炭材料骨架的連通性,改善電解液離子在電極材料孔道的擴散和傳輸速度,同時獲得雜原子改性的炭表面。在前一章基礎上,采用含磷離子液體為結(jié)構(gòu)導向劑和共溶劑,使用一步溶液合成體系制備出氮、磷共摻雜的多級孔炭電極材料。材料的比表面積為492～605m2g-1,孔體積為0.26～0.39cm3g-1,氮和磷的含量分別為0.70～0.72%和0.76～1.2%。由于炭材料獨特的三維多級孔道結(jié)構(gòu),其作為超級電容器電極材料時,質(zhì)量比電容值可達209Fg-1(0.5Ag-1)。在30Ag-1的大電流密度下電容保持率高達87%,證明材料高度連通的形貌結(jié)構(gòu),更適合大電流密度下的快速充放電行為。(3)基于苯并嗯嗪快速聚合的特點,在不添加發(fā)泡助劑的情況下,采用空氣鼓泡結(jié)合超聲輔助的合成策略,制備出泡沫狀的多孔聚合物,經(jīng)熱解后得到泡沫狀大孔塊體炭材料?？諝夤呐菔切纬纱罂椎哪０?超聲能夠使空氣泡尺寸趨于均勻。所得材料的比表面積在473～678m2g-1,孔體積在0.25～0.50cm3g-1。這種泡沫結(jié)構(gòu)炭材料在超級電容器電極材料應用中表現(xiàn)出良好的倍率性能,在10Ag-1的大電流密度下初始比電容值的保持率為87%。(4)為了獲得具有高中孔孔容和可調(diào)變的中孔與微孔孔容的炭材料,我們嘗試在苯并嗯嗪快速聚合體系中,引入TEOS,利用聚合體系的堿性,催化TEOS水解,合成了結(jié)構(gòu)均一的炭氧化硅復合材料。經(jīng)過簡單的除硅處理,可得到具有高中孔孔容的炭材料。該炭材料具有貫通的骨架結(jié)構(gòu),同時具有明顯的雙中孔結(jié)構(gòu)以及可調(diào)變的中孔和微孔孔容。材料的比表面積為876～1110m2g-1,孔體積為0.88～1.16cm3g-1。作為鋰離子電池負極材料,顯示出高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。在100mAg-1的電流密度下,比容量高達660mAhg-1,經(jīng)過70次循環(huán)仍能夠保持600mA