g-C3N4复合富氮分级多孔碳锂离子电池负极材料的可控制备及其对首次库仑效率的改善

Porous carbon materials as anode for lithium-ion batteries usually exhibit high specific capacity, good rate capability and cycling stability because of their large specific area, special pore structure, abundant active sites for Li storage and good thermal stability performance. However, low initial Coulombic efficiency of porous carbon anode seriously restricts its application in commercialized lithium-ion batteries. In this study, biomass carbon will be used as precursor for preparation of hierarchically porous nitrogen-rich carbon materials anode for lithium ion batteries with controllable structure and component through acid pretreatment, chemical activation and in situ synthesis of graphitic carbon nitride (g-C3N4). The research aims at building relationships between morphology, composite doping and initial Coulombic efficiency, and designing a new porous carbon material anode with unique pore structure, defects repaired effectively, pyridinic N doped optimally by studying effects of morphology, N doping and g-C3N4 composite on the formation of solid electrolyte interface (SEI) of the electrode and lithium ion reversible insertion/extraction and their mechanism. This project will help promote the application of biomass porous carbon materials as lithium battery anodes, and provide some theoretical basis and technological support for design of other new electrode materials.

多孔碳因其大的比表面积、独特的孔隙结构、丰富的离子储存位点和良好的热稳定性能，作为锂离子电池负极材料往往表现出高的比容量、良好的倍率性能和循环性能，但其普遍较低的首次库仑效率严重制约了其在锂离子电池中的应用。本项目拟以生物质碳作为前驱体，通过酸预处理、化学活化和石墨相氮化碳（g-C3N4）原位复合制备结构和组分可控的富氮分级多孔碳锂离子电池负极材料。通过研究形貌结构、氮掺杂和g-C3N4复合对电极固态电解质膜（SEI）形成和锂离子可逆嵌入/脱嵌的影响及其作用机制，建立形貌结构、复合掺杂与电极首次库仑效率之间的关系，设计出一种孔道结构独特、缺陷有效修复的，吡啶型氮优化掺杂的，高首次库仑效率新型多孔碳负极材料。本项目的研究将推动生物质多孔碳在锂离子电池负极材料中的应用，同时为其他新型电极材料的设计提供一定的理论依据和技术支撑。

高性能电极材料的开发是锂离子电池性能提升的关键，也是当前研究的热点和难点。多孔碳因其大的比表面积、独特的孔隙结构、丰富的离子储存位点和良好的热稳定性能，作为锂离子电池负极材料往往表现出高的比容量、良好的倍率性能和循环性能。多孔碳材料的电化学储锂性能可以通过杂原子（如N、B、S和P等）掺杂进一步提高，其中，N掺杂是改善多孔碳电化学性能的有效手段。此外，作为锂离子电池负极，多孔碳电极材料低的首次库仑效率也是被广泛关注且亟待解决的一个关键问题。.本项目利用广泛存在的生物质作为前驱体，通过多种致孔手段，先后得到了高度有序的介孔氮掺杂碳（HMNCs）、具有特殊孔道结构的富氮多孔碳（ALNOMC）和富氧多孔碳材料（OPC）。将这些材料用作锂离子电池负极，这些材料均表现出极高比容量、良好的倍率性能和循环稳定性能。在这三种电极材料中，OPC因其极高的比表面积1792.6 m2 g-1和丰富的氧含量8.63%，表现出最高的首次比容量1839.0 mAh g-1（100 mA g-1），ALNOMC因其有序的介孔结构和较高的氮含量7.19%，表现出最佳的倍率性能492 mAh g-1（5 A g-1）。在此研究的基础上，本项目以秸秆（WS）作为前驱体，双氰胺（DCDA）作为氮源，通过酸预处理、化学活化和g-C3N4原位复合制备得到了结构和组分可控的富氮分级多孔碳，并将其用作锂离子电池负极材料。系统研究了形貌结构、氮掺杂和g-C3N4复合对电极SEI膜形成、电极材料首次库仑效率和储锂能力的影响及其作用机制。研究发现，SEI膜、电极材料的首次库仑效率和比容量受材料的比表面积、孔道结构和氮掺杂等多种因素的综合影响。大的比表面积有利于提高材料的比容量，但会引发大量副反应的发生，造成首次库仑效率的降低，另外氮原子掺杂可以为锂离子存储提供位点，但也会增加材料的缺陷。.这些研究成果将推动杂原子掺杂多孔碳在锂离子电池负极材料中的应用，同时为其他新型电极材料的设计提供一定的理论依据和技术支撑。