摘要
锂离子电池由于其质量轻、能量密度高和长循环性能等优点而广泛应用在便携式电子设备和动力电池等领域。但近些年有限的锂资源越来越难以满足快速发展的储能市场，以至于锂离子电池的生产成本一直居高不下。由于与锂相似的氧化还原特性，原料丰富的钠离子电池成为锂离子电池的有力“候选人”。此外，作为锂离子电池主流负极材料的石墨在钠离子电池中难以展现出令人满意的储钠性能。因此，开发性能优异的钠电负极材料对推动钠离子电池的商业化具有重大意义。硬碳材料具有钠存储性能较好，来源较广泛和价格较便宜等优点，而被认为是所有碳基材料中最有商业化应用前景的钠电负极材料，但较低的首次库伦效率和较差的循环稳定性阻碍了它的发展。因此，本论文选取了价格友好的天然泡桐木和D-无水葡萄糖作为前驱体，通过改变碳化参数和氮掺杂工艺以制备性能优异的硬碳负极材料，同时将其与二维材料MXene复合制备柔性自支撑电极材料，并深入研究其微观结构、物相特性与电化学性能的内在联系，主要如下： (1)研究了碳化温度参数对泡桐硬碳的结构和性能的影响。随着碳化温度从1000℃升高到1400℃，制备的泡桐硬碳石墨化程度逐渐增加，材料的比表面积逐渐降低。因此，电化学测试中，HC-1400展现出85.9%的ICE(首次库伦效率)，69%的高平台容量和313mAhg-1的高可逆比容量。此外，在放电电流为1C，充电电流为5C的条件下循环500次仍有92%的容量保持率。FTIR和XPS表征发现，材料中有少量的氧元素和微量的氮、硫元素，有利于电极材料的储钠行为。GITT结果表明，在放电时高电位下的钠离子扩散系数DNa+显著高于低电位。这一现象进一步证实了该硬碳材料的“吸附-嵌入”机理。为了探索其实用性，我们用HC-1400与Na3V2(PO4)3匹配组装了全电池，0.5C下展现出204.4Whkg-1的高能量密度，即使在10C的高电流密度下仍有116.6Whkg-1。 (2)探究了在水热过程中掺入氮源对葡萄糖硬碳结构和电化学性能的影响，并与MXene复合制备了柔性自支撑电极，进行了一系列的表征测试。获得的NGlu-1400和MNGlu-1400分别展示出了384.5和471.5mAhg-1的可逆容量，以及89.92和94.33%的高ICE。在10C电流密度下分别展示出309和313mAhg-1的容量保持。此外，NGlu-1400和MNGlu-1400具有良好的循环稳定性，在放电/充电电流密度为1C/5C下循环200圈，容量保持率分别为93.9和97.8%。对电极材料进行了表征，结果发现，与未掺氮的Glu-1400相比，NGlu-1400具有较大的微晶层间距和石墨化度，并且与MXene复合后的MNGlu-1400的氮氧元素含量更高，这有益于硬碳材料对钠离子的存储。在CV电容拟合中，MNGlu-1400具有较高的电容控制行为，这可能跟MXene与硬碳的协同作用有关。此外，GITT中的钠离子扩散系数曲线反映出了NGlu-1400和MNGlu-1400的储能机理与硬碳的“吸附-嵌入”一致。
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