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碳/聚苯胺(碳化钼)复合材料的制备及其电化学性能研究

【摘要】:超级电容器和锂离子电池作为新一代能源存储和转化装置,因其循环性能稳定和高的充放电效率等优点,已经在多个领域中广泛应用。电极材料作为超级电容器和锂离子电池的核心构成,其性能的优劣直接影响产品的好坏。石墨烯基复合材料因其优异的电学、热学以及力学等性能优势迅速成为近些年来研究最广泛的电极材料。但是,其缺点石墨烯与其它杂化材料的界面结合不牢固,在充放电过程中电极材料易脱落分离,限制了其进一步应用。本论文通过不同的合成方法,制备出高性能叠层结构碳/聚苯胺和碳/碳化钼等石墨烯基复合材料,叠层结构可以很好的解决复合材料中的界面结合问题,通过SEM、TEM、XRD、FTIR等测试手段对复合材料进行微观结构表征,并分别作为超级电容器和锂离子电池的电极材料进行相关电化学测试,都取得了较好的电化学性能,具体研究内容如下:首先将氧化石墨作为聚苯胺沉积的载体,采用真空吸附和原位聚合法将纳米尺寸的聚苯胺沉积在氧化石墨片层表面,得到叠层结构聚苯胺/氧化石墨复合材料。氧化石墨由于具有大的比表面积和丰富的含氧官能团,能为聚苯胺的沉积提供了有利条件,且特殊的叠层结构不但可以提供更多的离子传输通道,还可以抑制充放电过程中活性材料的体积膨胀。除此之外,还考察了不同的聚苯胺负载量、不同苯胺浓度对复合材料微观结构以及电化学性能的影响。其中,GP-50样品在1 mol·L-1 H2SO4电解液溶液中,当电流密度为0.5 A·g-1时,其比容量高达780 F·g-1,且当电流密度增加到50 A·g-1时,其比电容还保持在500 F·g-1,具有较高的比容量和优异的倍率特性。其次,以钼酸铵作为钼源,氧化石墨作为碳源,通过真空干燥与高温热处理联用法制备出叠层结构氮掺杂碳/碳化钼复合材料,其中叠层结构可以有效地缩短锂离子和电子的传输路径,而且在循环过程中对于锂离子脱出嵌入活性材料造成的体积增大起到了很好的抑制作用,将其作为锂离子电池负极材料进行测试,得到了较高的质量比容量和体积比容量,其中Mo2C-C-3样品在0.5 A·g-1的电流密度下,循环300圈,其质量比电容保持在713 mAh·g-1,在0.42 mA·cm-2的电流密度下,循环300圈,其体积比电容保持在756 mAh·cm-3,相对于其它材料,具有良好的性能。

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