碳基复合储能材料的制备及其电化学性能研究

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1、分类号TB34密级不保密单位代号10256学号15102025硕士学位论文DissertationforMaster’sDegree碳基复合储能材料的制备及其电化学性能研究学位申请人：卫欢欢指导教师：闵宇霖学科专业：化学工程与技术材料化学工程学位类别：工学硕士所属院系：环境与化学工程学院2018年5月分类号TB34密级不保密单位代号10256学号15102025上海电力学院硕士学位论文碳基复合储能材料的制备及其电化学性能研究学位申请人：卫欢欢指导教师：闵宇霖学科专业：化学工程与技术材料化学工程学位类别：

2、工学硕士论文定稿日期：2018年3月摘要碳基复合材料制备及其电化学性能研究摘要随着石墨烯、碳纳米管等材料应用在电化学储能上，碳基材料受到了广泛研究。其中热解碳作为一类新型的电极材料受到广泛关注。本论文以尿不湿内部的超吸水颗粒作为基本的碳源来探究其热解后的电化学性能。首先，通过处理废弃尿不湿得到三维氮掺杂多孔碳纳米结构材料(NSAPC-W)，将其用于锂离子电池、钠离子电池负极活性材料。NSAPC-W采用了婴儿的尿液作为氮源，具有介孔、微孔结构。将由废弃的尿不湿剥离出来的超吸水树脂（SAP）经过一系列处理得

3、到的电极材料在锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）应用上其循环性能和倍率性能都非常优异。NSAPC-W作为锂离子电池负极，在小电流密度下展现出极高的比容量，同时也展现出2000圈的循环圈数。而且，作为钠离子电池负极也展现出330mAhg-1的比容量和4000圈的循环圈数。NSAPC-W优异的电化学性能归因于其高氮含量的三维框架碳基质以及可以加速电荷传输的类石墨烯片层。其次，采用干净尿不湿内部的超吸水颗粒，通过吸收不同浓度的金属盐水溶液，随后冷冻干燥、高温煅烧处理得到氧化镍和金属镍纳米颗粒修饰的

4、三维多孔复合材料（NNSC）。超吸水树脂衍生的多孔碳基质（PCM）提供了连续的导电网络，有利于促进电荷的快速转移，同时形成稳定的有利于长循环的SEI膜，而且NNSC负极展现出较高的比容量和极好的循环性能。更为重要的是，采用这种的多孔碳基质作为高容量载体是一种绿色的方法，也能将其应用在其他储能材料的合成中。最后，碳材料和过渡金属氧化物由于高能量、低成本和较高的比容量作为可充放电电池而受到广泛关注；然而他们也展现并不令人满意的性能，这是由于他们内部微观结构所导致的。通过采用超吸水颗粒SAP吸附金属镍离子并以

5、高温碳化催化策略设计合成了镍和纳米石墨修饰的碳纳米框架(Ni@G/C)，这种催化合成的镍单质Ni有利于高分子热解碳材料由sp32向sp转换形成类石墨烯。Ni@G/C的特殊结构为后续合成空心结构的氧I上海电力学院硕士学位论文化镍（NiO/C）和碳纳米空心结构的纳米石墨（NG/C）提供了平台。Ni@G/C具有内部连接性的框架，高速的离子传输通道，大的比表面积，好的结构稳定性以及快速的动力学使得其后续处理得到的空心复合材料NiO/C和NG/C具有长循环的电化学稳定性，也为我们合成新一代的LIBs、SIBs电极

6、材料设计了新思路，加宽了研究视野。总而言之，本论文通过一种简单又能大规模的方法去制备一种独特的框架结构材料，采用的是采用超吸水树脂。优异的电化学性能归因于来源尿不湿内部的超吸水颗粒衍生的三维多孔结构，提供了短的离子扩散路径，有效的应变缓冲，大的活性接触面积。可以预测的是，碳化的废弃尿不湿产物是一种异质原子掺杂的多孔碳材料，且这种电极材料适用于超级电容器和催化加载体等领域。关键词：废弃尿不湿，氮掺杂多孔碳，镍基电极材料，锂离子电池，钠离子电池，长循环负极IIABSTRACTSTUDYONPREPARATI

7、ONANDELECTROCHEMICALPROPERTIESOFCARBONBASEDCOMPOSITESABSTRACTWiththeapplicationofgraphene,carbonnanotubesandothermaterialsinelectrochemicalenergystorage,thecarbonbasedmaterialshaveattractedmoreandmoreattention.Pyrolyticcarbonhasattractedwideattentionasan

8、ewkindofelectrodematerial.Thesuperabsorbentparticlesinsidethediaperareusedasthebasiccarbonsourcetoexploretheelectrochemicalperformanceafterpyrolysis.Firstly,athree-dimensional(3D)nitrogen-dopedporouscarbon(NSAPC-W)nanoarch