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摘要:武汉大学的KaifuHuo等利用N掺杂技术制备的氮掺杂介孔碳中空球(N-MCHSs)材料,该材料表现出了优异的电化学性能,0.1A/g的电流密度下,比容量高达931mAh/g,在0.5A/g的电流密度下,循环1100次后,比容量仍然可以达到485.7mAh/g。
对于石墨材料,372是一个无法逾越的数字,这不是别的,正是石墨材料的理论比容量,石墨材料的比容量越是靠近这个数字,提高就愈加困难,这仿佛是一个被诅咒了得数字,就摆在那里让你无可奈何。
这让小编想起了当年摆在人们面临的音障难题——音速就摆在那里,你狠的咬牙切齿,却又无可奈何。但是任何困难都是可以克服的,就想当年音障可以被突破一样,372一样可以被击碎,372一样可以被踩在脚下。
人们从来没有放弃对石墨比容量的任何一点提升,为了提升石墨材料的储锂性能,人们合成了多种纳米结构的石墨材料:碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯、多孔碳等。另一个提升碳材料的比容量的方式就是掺杂,例如磷、硼、硫、氮等元素掺杂可以显著的提升石墨材料的比容量。
特别是N元素是一种非常优异的石墨掺杂材料,N原子的电负性为3.5,这要高于碳材料的3.0电负性,N原子与石墨原子结合后,可以进一步的降低石墨材料的电负性,因此更加容易与Li+反应,这也显著的提高了N掺杂石墨材料的比容量,例如氮掺杂石墨在2A/g的电流密度下循环600次后,其比容量仍然可以达到943mAh/g,这要远高于未掺杂的石墨材料。
武汉大学的KaifuHuo等利用N掺杂技术制备的氮掺杂介孔碳中空球(N-MCHSs)材料,该材料表现出了优异的电化学性能,0.1A/g的电流密度下,比容量高达931mAh/g,在0.5A/g的电流密度下,循环1100次后,比容量仍然可以达到485.7mAh/g。将电流密度提高8倍,达到4A/g,仍然能够维持50%的容量。
N-MCHSs合成过程十分有趣,与其说是化学实验,更像一个生物实验,实验中采用了介孔中空硅球(MHSiO2)作为模版,多巴胺作为N源和C源,多巴胺具有自聚合的特性,开始的时候多巴胺会在MHSiO2的内表面和内表面聚合成为高聚多巴胺,并渗入到MHSiO2的内部,然后在高温下将高聚多巴胺进行碳化,最后再利用HF移除掉模版MHSiO2,就获得了氮掺杂介孔中空碳球N-MCHSs。
这种方法成本高,效率低自然是不能用于工业生产上的,但是我们更加关注的是N-MCHSs材料的性能究竟如何。采用该方法合成的N-MCHSs材料的壳壁内部呈现出海绵状的多孔结构,其比表面积高达411.6m2/g。
拉曼光谱显示,随着焙烧温度从600℃提高到900℃,1350cm-1处的D键和1590cm-1处的G键,都逐渐增强,这表明随着温度的提高,材料的石墨化程度也在逐渐提高。
XPS研究显示,焙烧温度为600℃、800℃和900℃时,材料中的N元素的含量分别为5.73%、4.48%和2.26%,但是实际上与石墨化合的N元素含量几乎没有发生变化,发生改变的N元素主要是吡啶型N。
虽然N含量较高的N-MCHSs材料虽然具有较高的比容量,但是由于石墨化程度较低,因此电化学性能不稳定。
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