摘要
锂离子电池作为目前应用最广泛的二次电池，具有循环稳定性好、低自放电率、使用寿命长等优点。石墨是商业锂离子电池最常用的负极材料，但它的理论比容量低，限制了电池能量密度的提高。此外，目前地球上锂资源的匮乏，导致钴酸锂、磷酸铁锂等商业化锂离子电池正极材料的成本较高。除研发高比容量的电极材料之外，科研工作者们也将目光聚焦在研发新型锂二次电池上，如锂硫电池。锂硫电池具备能量密度高、成本低、环境友好等优点。但锂硫电池在商业化应用过程中仍然存在许多问题有待解决：硫与放电产物Li2S的导电性差、多硫化物溶解产生穿梭效应和充放电过程中严重的体积膨胀，导致锂硫电池的循环寿命降低、倍率性能变差。煤沥青和石油沥青作为煤和石油工业化应用过程中的副产物，成本低廉且碳含量高，将其应用在储能领域，有助于实现新旧能源的结合，具有广泛的应用前景。本论文以煤沥青和石油沥青为碳源合成了多孔碳及其复合材料，利用多孔碳的高孔隙率和高导电性、金属或金属化合物强的吸附与催化转化能力，提高了锂离子电池和锂硫电池的电化学性能。具体研究内容如下： （1）以煤沥青作为碳源、碳酸氢钾（KHCO3）为模板活化剂，通过高温热解和后续水洗处理制得类珊瑚的条状多孔碳（HPC-3）。该材料具有类珊瑚的三维骨架，且具备1643m2g-1的超高比表面积和0.99cm3g-1的超大孔体积，促进了Li+的存储和快速传输。将其作为锂离子电池负极材料，表现出优异的电化学性能，在1Ag-1的电流密度下，循环1400次后，仍能维持660mAhg-1的可逆比容量。 （2）以石油沥青作为碳源，三聚氰胺和三聚氰酸自组装制备的超分子作为模板，通过两者混合碳化制得多孔碳。以此为基底，通过水热结合高温氨化处理得到多孔碳负载二硫化钼-氮化钼（MoS2-MoN）异质结复合材料（MAC-MoS2-MoN）。在该复合体系中，MoS2-MoN异质结存在协同作用：吸附多硫化物并加快其氧化还原反应动力学，进而有效抑制穿梭效应。因此，采用MAC-MoS2-MoN作为隔膜修饰材料的锂硫电池表现出了高的比容量和优异的循环稳定性。在1C的电流密度下，循环1000圈后，每圈容量损失仅为0.06%。 （3）以石油沥青为碳源、碱式碳酸钴纳米棒为钴源和模板，设计二次模板复刻策略，制得钴原子簇嵌入的多孔多囊泡的碳纳米棒（Co@VPCRs）。在该复合材料中，碳纳米棒基底和钴原子簇的存在提高了Co@VPCRs的导电性；多孔多囊泡结构能够封存更多的硫单质、缓解锂硫电池充放电过程中的体积膨胀；小尺寸钴原子簇能够吸附多硫化物，amp;nbsp;缓解电池体系的穿梭效应，并能高效催化充放电过程的氧化还原反应，提高反应动力学。因此，Co@VPCRs与硫的复合材料（Co@VPCRs/S）作为锂硫电池正极，表现出了优越的循环和倍率性能，在0.5C的电流密度下，循环300圈后，仍能维持665mAhg-1的超高可逆比容量，容量保持率为72.1%，在2C的大倍率下具有737mAhg-1的放电比容量。
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