摘要
在各种各样的能源发展策略中，电化学能源是目前最有前途的储能设备，其中锂离子电池(LIBs)表现的尤为突出。随着各种电子设备的需求不断增长，LIBs被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和可再生能源储备领域。随着LIBs在社会生活和生产中的地位日益突出，锂矿资源需求量必然增加，势必推高相关原材料的价格，进而增加电池成本，不利于新能源产业的发展。钠与锂为同一主族元素，具有相似的物理和化学性质，而且钠在地壳中的储量相对丰富，价格远低于锂原料价格。因此，开发高性能钠离子电池(SIBs)可以弥补LIBs的不足，具有重要的应用价值和现实意义。 此论文以甘蔗渣、小麦秸秆和刨花(木材屑)等生物质作为碳源，通过一种简单且通用的高温活化的方法制备三维多孔碳材料。所得材料不仅具有大孔结构，还拥有丰富的介孔结构以及微孔结构。材料通过大孔桥连形成多级孔结构，此结构为锂离子的储存提供了通道和位点，从而提高电池的性能。三维多孔碳材料作为LIBs阳极材料，表现出高比容量和稳定的循环性能。其中甘蔗渣的高温碳化产物(800℃)在电流密度0.1Ag-1条件下循环100圈后，比容量仍然保持在325mAhg-1。 以三聚氰胺作为氮源对生物质废物甘蔗渣进行碳化处理，能够获得具有三维骨架和大比表面积的N掺杂多孔碳(N/C)材料。该材料具有大孔通道以及丰富的中孔和微孔结构。多级孔结构不仅可以增加比表面积，而且可以有效地提供电子传输通道。N掺杂可以增强活性位点和与锂离子之间的相互作用，这样不仅可以改变局部电子密度，而且有利于锂离子的吸附和存储，从而提高LIBs的电化学性能。此外，作为LIBs的阳极材料，在0.1Ag-1电流密度下100圈循环后，可逆比容量仍可高达530mAhg-1。同时，这项研究表明使用生物质废弃物作为LIBs的潜在阳极材料，将在能量储存领域实现重大突破。 利用简单、经济可行和环保的方法碳化甘蔗渣废弃物制备S掺杂的蜂窝状三维多孔碳材料。蜂窝状三维多孔碳具有大孔、介孔和微孔等多级结构，具有独特的多孔通道，可以提供Li+/Na+储存位点和传输路径。使用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率TEM(HR-TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对多孔碳结构和形貌进行表征。同时，该材料作为LIBs的阳极时，表现出优异的电化学性能和高可逆比容量(电流密度为0.1Ag-1时循环100圈循环，容量仍为690.9mAhg-1；在高电流密度下，循环500圈后，容量仍然保持在229mAhg-1)。而作为SIBs的阳极材料时，在0.1Ag-1电流密度下循环100圈后，可逆比容量可达505.8mAhg-1；在5Ag-1时循环500圈后，可逆容量为108mAhg-1。此外，该研究展示了一种简便有效制备S掺杂的蜂窝状三维多孔碳材料的方法，所得材料在LIBs和SIBs中均表现出优异的电化学性能。 通过热处理生物质废物(甘蔗渣)来获得N/S共掺杂多孔生物碳材料，并用作LIBs和SIBs的阳极材料。当采用适当氮(3.38wt％)和硫(9.75wt％)进行共掺杂时，所得NS1-1电极材料在0.1Ag-1条件下展现出1010.4mAhg-1的高可逆容量。此外，在5Ag-1条件下循环1000圈后，可逆容量保持在412mAhg-1，表现出优异的循环稳定性。作为SIBs的阳极材料时，NS1-1样品在0.1Ag-1电流密度下循环100圈后，容量可达745.2mAhg-1。在高电流密度(5 A g-1)下循环1000圈后，可逆容量为272.5mAhg-1，表现出优异的电化学性能和循环稳定性。优异的电化学性能可归因于三种效应：(1)高含量的硫和氮元素；(2)杂原子的协同作用；(3)大量边缘缺陷和多级孔结构，可提供更多的锂/钠储存区。此实验结果表明，N/S共掺杂多孔生物碳材料具有独特的特征，非常适用作为LIBs和SIBs的阳极材料。
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