论文总字数：21605字

摘 要

锂离子电池（LIB）已成功应用到手机，医疗和军事设备以及混合动力电动汽车中，但有限的锂资源限制了发展。性能优异的钠离子电池正极材料已经被报道，然而缺乏适合的负极材料成为了钠离子电池（SIB）发展的阻碍。石墨因其不适合钠离子的嵌入脱出，难以作为钠离子电池的负极材料。硬碳具有高的结构紊乱度成为有潜力的钠离子电池（SIB）负极材料之一。

本论文通过多组分共组装方法，以间苯三酚与乙二醛的酚醛树脂反应产物为前驱体，F127为软模板，尿素为氮源、硼酸为硼源进行氮元素和硼元素掺杂，结合后续碳化，制备了具有互连多孔的共掺杂多孔碳材料。共掺杂多孔碳作为钠离子电池（SIB）的阳极表现出高的比容量和良好的循环性能(在100 mA g^-1的电流条件下，循环200圈仍可以保持239.3 mAh g^-1的比容量)。共掺杂多孔碳优异的电化学性能可归因于高度的无序晶体结构、较大的石墨层层间距、互连多孔结构、丰富的表面官能团和硼、氮共掺杂的协同效应。氮元素和硼元素共掺杂多孔碳是有希望作为低成本钠离子电池（SIB）阳极材料的候选材料之一。

关键词：钠离子电池 多孔碳 氮掺杂 硼掺杂

Preparation of boron-nitrogen co-doped mesoporous carbon and its sodium storage properties

Abstract

Lithium-ion batteries (LIB) have been successfully applied to mobile phones, medical and military equipment, and hybrid electric vehicles, but limited lithium resources have limited development. A positive performance material for sodium ion batteries has been reported, but the lack of suitable anode materials has become a hindrance to the development of sodium ion batteries (SIB). The negative electrode material graphite is difficult to be used as a negative electrode material for sodium electricity because it is not suitable for the insertion and removal of sodium ions. Hard carbon has a high degree of structural turbulence, and it is one of the potential negative electrode materials for sodium ion batteries.

In this thesis, the multi-component co-assembly method is used as the precursor of the phenolic resin reaction product of phloroglucin and glyoxal, F127 is the soft template, urea is the nitrogen source, and boric acid is the boron source for the nitrogen and boron doping. In combination with subsequent carbonization, a co-doped mesoporous carbon material having interconnected mesopores was prepared. Co-doped mesoporous carbon as a sodium ion batteries anode exhibits high specific capacity and good cycle performance (at a current of 100 mA g^-1, the specific capacity cycle can still maintain 239.3 mAh g^-1 for 200 cycles). The excellent electrochemical properties of co-doped mesoporous carbon can be attributed to the high degree of disordered crystal structure, large graphite layer spacing, interconnected mesoporous structure, abundant surface functional groups and synergistic effects of boron and nitrogen co-doping. Co-doped mesoporous carbon with nitrogen and boron is one of the promising candidates for low-cost sodium ion batteries anode materials.

Key words: sodium-ion batteries porous carbon nitrogen-doped boron-doped

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2多孔碳研究概述 3

1.2.1多孔碳制备方法 3

1.2.2多孔碳的应用 4

1.3碳基储钠负极研究进展 4

1.3.1碳基负极材料 4

1.3.2 氮元素掺杂碳基负极材料 5

1.3.3 硼元素掺杂碳基负极材料 6

1.4实验研究目的 7

第二章 实验内容和方法 8

2.1实验药品与仪器 8

2.2实验方案 9

2.3材料表征 10

2.4电池组装 10

2.4.1电池电极片的制备 10

2.4.2纽扣电池的组装 11

第三章 实验结果 12

3.1 多孔碳材料结构表征 12

3.1.1 XRD分析 12

3.1.2拉曼光谱分析 13

3.1.3氮吸附-脱附 13

3.1.4 XPS分析 15

3.2多孔碳电化学性能测试 17

第四章 结论与展望 21

4.1实验结论 21

4.2展望与不足 21

参考文献 23

致 谢 26

第一章 绪论

1.1引言

锂离子电池在能量密度、倍率性能以及循环稳定性等方面表现出卓越的性能，被公认为是最优异的储能电池系统^[1]。锂离子电池（LIB）已成功应用到手机，医疗和军事设备以及混合动力电动汽车中^[2]。在过去的几十年中，锂离子电池因其高能量密度和良好的循环性能而备受关注。由于钠资源的天然丰度，具有与锂类似的化学特性（表1-1）和接近的充-放电原理（图1-1），钠离子电池（SIB）被认为是锂离子电池最有希望的替代品之一^[3]。作为锂离子电池最常用的负极材料石墨，在钠离子电池中并不适用，这使得钠离子电池负极面临着重大的挑战^[4]。钠是地球上储量排名第六的元素，有着取之不尽用之不竭的储备，锂离子在层状石墨碳中嵌入与脱嵌，由于钠离子的半径较大，难以嵌入到其层状结构中，仅有少量钠离子嵌入到石墨层状结构中，其较大的离子半径也会破坏其原有的层状结构，造成其热力学不稳定性。与锂离子二次电池相比，钠离子电池有着许多的优势，例如，原料成本低及利用具有更低分解电势的电解质体系的能力^[5]。

最开始发展锂电的时候，钠电就已经开始被研究，但是锂电的快速崛起使得钠电黯然退出市场，导致钠电在很大程度上被放弃。各种碳材料，如炭黑，碳球，碳纤维，中空碳纳米线和多孔碳已被用作钠离子电池（SIB）的阳极材料。虽然已经取得了很大进展，但到目前为止，对于大规模储能而言，在一定安全性的基础上，成本和循环寿命是需要考虑的首要因素，而开发价格低廉、性能优异的储钠电极材料是实现钠离子电池商业化应用的关键^[6]。

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