掺杂碳基纳米阵列薄膜应用于锂离子电池材料

Carbon-based nanomaterials has broad prospects in the aspect of electrode materials for lithium ion batteries, the property of electronic devices is strongly dependent on the microscopic morphological structure and chemical structure. The contents of major scientific issues of this project are related with the carbonized doped-carbon nanoarrys materials combined the electrochemical polymerization and template wetting method by using a molecular precursor which were composed of hetero atoms , such as N, S, and P. The microstructure and electrical properties effect on the materials as the anode material for lithium-ion batteries was also discussed. The novel doped-carbon nanoarrys materials will inhibit the volume effect during the rechargeable performance of the electrode, while the rate capability and cycle life will significantly enhance by the exist of heteroatoms and the structure of nanoarrays which employing the longitudinal channel as the transmission channel. The project for the novel materials of doped-carbon nanotube/wire arrays may show some key value in the lithium ion battery electrode materials.

碳基纳米材料在锂离子电池电极材料方面具有良好应用前景，其微观物理形貌特征与本证化学结构对器件电学性能影响很大。本项目拟将以含有N、S和P等杂原子的小分子为前体，通过电化学模板限域聚合和模板浸润法获得纳米管/线阵列，进而碳化获得杂原子掺杂的碳基纳米管/线阵列薄膜，系统探讨掺杂碳基纳米管/线阵列作为新型锂电池负极材料的微观结构与电学性能的关系。这种新型掺杂碳化纳米管/线阵列以期将有效缓冲作为电极材料在充放电过程中的体积效应，杂原子的存在将有助于增加器件的能量存储能力，阵列结构将诱导形成快速导电传输通道提升材料的导电性能及提高电极材料的倍率性能和循环寿命。本项目研究将系统揭示掺杂碳基纳米材料微结构作为电极材料对锂离子电池性能的影响，通过结构优化为实现基于掺杂碳基纳米管/线阵列的高性能锂离子电池器件奠定基础。

截止到目前，“掺杂碳基纳米阵列薄膜应用于锂离子电池材料项目”的研究内容和目标均按照任务书执行，项目进展顺利，甚至在掺杂碳基纳米阵列材料性能方面有更广泛的扩展应用研究，项目整体完成情况好以至于超额完成任务，可以正常结题。通过在AAO模板的垂直孔道里均匀的聚合长度和取向高度一致的大面积导电聚合物纳米线阵列薄膜材料，实现了单元素N和S掺杂的聚合物纳米线和双组分N&S掺杂聚合物纳米线的制备。随后在惰性气氛下对上述几种纳米线阵列进行高温热处理，获得了含杂原子的碳基纳米线阵列薄膜（NS-CNWs、N-CNWs和S-CNWs）。获得的这种具有定向排布的碳纳米线阵列为电解液离子在材料内部的快速迁入、迁出提供更好地扩散通道。随后我们研究了将NS-CNWs、N-CNWs和S-CNWs等材料用于锂离子电池的电极材料和超级电容器电极材料，结果表明NS-CNWs、N-CNWs和S-CNWs均为表现出良好的电化学性能。发现NS-CNWs和N-CNWs的比电容在碳材料领域中很有优势，其中NS-CNWs样品性能稳定后可以达到1346.1 mAh g-1；此外，还进一步研究了样品在超级电容器电极方面的应用。其中，NS-CNWs在0.1 A g-1时可逆电容达到约220 F g-1，即使在8 A g-1电流密度下仍表现岀了优秀的倍率性能和循环稳定性。双掺杂材料不仅在容量上优于单掺杂组分的材料，而且在倍率性能上，即使当电流密度增加到8 A/g，其比电容仍然有170 F/g，其比电容量仍保持～77.3%，这也大大优于对比的单组分掺杂样品，当然在循环4000次后，比电容保值率仍接近100%。综上所述，这种高比表面积、具有纵向离子传输通道的NS-CNWs材料在新结构电极材料领域具有很好的潜在应用价值。