摘要
随着电力交通以及各种用电设备的快速发展，探索高能大功率锂离子电池和钠离子电池成为研究热点。炭材料因其高的物理化学稳定性、良好的电化学性能以及低廉的成本，被广泛应用于锂离子和钠离子的存储。在电池体系中电荷存储是一个扩散控制的过程，具有缓慢的动力学，导致容量不满足，在高电流密度下有较大的过电位和极化。探索具有高倍率性能的新型炭材料具有十分重要的意义。杂原子掺杂使炭具有较高的电化学活性，表现出快速、稳健的离子吸附行为。氮掺杂因其独特的性质被广泛研究。到目前为止，氮掺杂炭基材料的主要挑战是如何实现非常高的氮掺杂水平。制备氮掺杂炭材料通常有原位制备和后处理两种方式，但是依然存在前驱体含氮量有限、实验操作复杂、成本高、产物形貌不可控以及一定安全风险等缺点。因此，寻找含氮量高的前驱体，或开发一种简单的制备方法，是当前工作的挑战。为此，本论文选取三聚氰胺这种氮含量超高(66.7at.％)且成本低廉的富氮有机小分子，通过与金属离子形成配位化合物以及与甲醛溶液聚合形成聚合物为前驱体制备不同形貌和氮含量的高氮掺杂炭材料,并通过一系列表征测试手段揭示形貌结构和电化学性能的关系，为制备和设计高氮掺杂炭材料以及拓展更多应用提供了新的思路和方法。具体如下: (1)以Cu-Melamine配位骨架为前驱体成功制备了二维高氮掺杂炭纳米片，氮含量最高达29.49at.％,通过改变炭化温度来调控氮含量和构型。作为锂离子电池的负极材料，在10Ag-1下可逆容量为299.6mAhg-1，在5Ag-1下循环1000次后容量为375.5mAhg-1。作为钠离子电池的负极材料，在10Ag-1电流密度下的比容量为66.7mAhg-1，在1Ag-1循环1000次后仍有135.5mAhg-1容量。 (2)对比Cu-NDC,Zn-NDC以及Fe-NDC(分别代表由Cu、Zn、Fe三聚氰胺配为骨架衍生的氮掺杂炭材料)的形貌结构，氮含量构型以及储锂储钠性能差异，结果表明，具有纳米片形貌的Cu-NDC表现出更高的氮含量和更优异的倍率和循环性能，具有块体形貌的Zn-NDC显示更丰富的缺陷结构和高可逆容量，具有竹节状形貌的Fe-NDC表现出快速的离子扩散。 (3)以三聚氰胺和甲醛溶液沉淀聚合的方式得到密胺树脂球，采用氯化铵作为固化剂，实现了低温短时间(150℃，6h)固化，并且在不同热处理温度下成功制备了粒径在2.6-1.6μm，氮含量为23.86at.％-0.22at.％,表面光滑,粒径分布均一,球形形貌好以及单分散的氮掺杂炭微球。作为钠离子电池负极材料，表现出优异的循环稳定性，0.1Ag-1循环500圈，容量保持率达到99％,0.5Ag-1循环1500圈容量保持率达到74％。
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