1.6.3 钠离子电池正极材料 12

1.7 实验的目的和意义 13

2 实验部分 14

2.1 实验原料 14

2.2 实验器材 14

2.3 碳纳米笼的制备 15

2.4 碳样品检测 15

2.5 电化学性能测试 16

2.5.1 电极制备及组装 16

2.5.2 钠电池性能测试 17

3 实验结果与讨论 18

3.1 多孔壁碳纳米笼组织结构及微观形貌 18

3.2 多孔壁碳纳米笼负极材料电化学性能 21

4 结论 23

致 谢 24

参考文献 25

1 绪论

众所周知，能源是当今社会发展的基础，我国的主要能源生产是煤炭，而煤炭的过度使用造成了生态环境的严重破坏、雾霾污染面积的急剧增大，所以面对如此巨大压力下，我们要想保证当今社会的可持续发展，我们必须大力进行能源生产和消费体系的改变、能源组织结构的重新调整以及清洁可再生能源的寻找[2]。人们发现光伏太阳能、风能和其他自然能源会严重受气候、天气和其他因素的影响，大规模进入电网将导致电网不稳定[1]。而电池在清洁能源的转化和储存方面起着极其重要的作用。电池系统应用于各类大小的电力系统，如大型发电厂、变电站、小型的笔记本电脑以及移动电话等各种便携式数码产品。锂离子二次电池自成立以来已取得空前成就[15]。随着电动汽车的发展和油电混合动力汽车的发展，锂离子电池因为占据了便携式电子产品的大部分市场而成为了各大汽车制造企业为制造更适合现代汽车使用的动力系统的最佳选择。

尽管锂离子电池被人们广泛的使用，但是锂的高价和资源的库存量少越来越为人们所担忧[1]。但钠在地球的含量比锂丰富且价低，而另一方面，当今的应用场合更注重价格因素，因此钠离子电池被认为是锂离子电池最佳、最便宜的替代品[2]。尽管价钱比较低，但是我们还需要提高电池的能量强度和功率密度，才能满足对钠离子电池的需求。但是电极材料主要决定了电池的能量强度和寿命等硬性条件，因此，开发具有高性能的电极材料已成为科学界研究电池的重点[2,3,4]。

1.1 碳简介

碳广泛存在于各种化合物中，在所有化学元素中是最特别的一种，它可以组成各种生命，并且形态多样[7]。

炭黑一般由石墨颗粒组成，这些石墨是直径为50 nm的球形颗粒，经过团聚，形成的大颗粒，从而形成炭黑，直径为250 nm，被认为是一种无定形碳[19]。在无氧环境下，加热任何含有碳元素的物质都可以得到炭黑。例如：当O2供应不足时，燃烧含有碳化合物可生产得到烟灰。另外，活性炭则是一种黑色的无定形碳，也是炭黑中的一种，通常以粉末状或者块状的形式存在，被广泛应用于化工、医药、电子、印染等行业中。但活性炭在活化时出现的碳组织缺陷会导致其比表面积相对大，堆积密度也相对低，这些缺陷是因为在构造上，活性炭的微晶碳进行的排列是不规则的，从而在穿插连接之间有孔状间隙，所以它是—种多孔碳[6,7]。

自然界中除了无定形碳外，还广泛存在着两种结构——金刚石和石墨。金刚石的晶格结构分为两种——立方晶格结构和六方晶格结构，其中，立方密堆积结构由于采用每一个碳原子与四个碳原子相连的方式以形成立体的结构，从而会具有很强的硬度。又是通过sp3的形式得得以杂化，从而形成了异常牢固的共价键。1967年，另一种六方结构金刚石在陨石坑内首次被发现。与金刚石不同，石墨的每一个碳原子与三个碳原子相连的形式是共价键形式，从而形成正六边形，并且釆用的杂化方式是sp2杂化，再将无数个正六边形相拼接，从而使形成的二维网状结构无限大。再用范德华力将层与层相衔接，但层与层之间会因为范德华力较弱而很容易相对滑动，层间距约为0.335 nm。