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2.2.1 X射线衍射 13
2.2.2 高分辨率透射电镜 13
2.2.3 X射线光电子能谱分析 14
2.3 电化学性能测试 14
2.3.1 电极制备及组装 14
2.3.2 电化学测试 14
3 结果与分析 15
3.1 多孔壁碳纳米笼组织结构及微观形貌 15
3.1.1 除去铁核前后纳米颗粒分析 15
3.1.2 除去掺杂结构前后碳纳米笼分析 18
3.2 多孔壁碳纳米笼负极材料电化学性能 21
3.2.1 循环伏安测试 21
3.2.2 多倍率循环测试 22
3.3 讨论 25
4 结论 26
致 谢 27
参考文献 28
1 绪论
随着人类社会对移动能源和清洁能源发展要求的不断提高，人们对电化学储能这一研究领域越来越重视，石墨负极材料锂离子二次电池自上世纪末发展至今，短短20年的时间，就广泛的应用于各个行业中，成为主流。其应用已渗透到从计算机、照相机、手机到电动车等人们生活的方方面面。消费决定生产，这些应用需求也对锂离子电池的综合性能提出了不同的要求，其中动力电池系统要求电池具有高能量和功率密度，而个人移动电子设备电源需要电池更小，更薄甚至更强韧。本篇论文主要以碳基材料为研究重点来进行试验探讨。
1.1 碳材料简介
碳元素不仅是地球上分布最广的元素还是有机物形成的基础元素，也是每个生命体必不可少的组成元素。碳元素除了以化合物的形式存在外，还存在大量的形态各异的单质碳。除了生活中常见的石墨和金刚石之外，在1985年，美籍科学家R. F. Curl 和R. E. Smalley以及另一位英国科学家H. W. Kyoto在使用质谱法检测激光照射石墨的产物时发现了C60分子[1]。1991年日本科学家S.lijima发现了碳纳米管[2]。
碳的同素异形体虽然组成元素都是单一的碳元素，由于碳原子之间的排列方式存在不同，结构各异，原子之间的成键方式不同，这便使得碳具有大量的结构不同、性质各异的形态，如:以sp1杂化的金刚石（其成键的方式是σ键）；以sp2杂化形成的石墨（成键方式是由一个σ键和一个л键结合形成）；以及碳纳米管、富勒烯以sp2+e杂化（e介于0和1之间）。随着各种碳材料的发现，碳纳米材料不断发展，应用方向也在不断地扩大[3-38]。
碳的同素异形体的结构示意图[1,2]
1.2 碳的同素异形体
1.2.1 碳的价键结构
碳纳米材料的同素异形体之所以性能迥异、形态有别，完全取决于其外层电子可形成稳定而又不同的杂化状态。碳元素能在元素周期表中排到第751位主要得益于其具有1s22s22p2 的电子轨道结构。依据原子杂化理论可知，当其它原子与碳原子结合形成化学键时，碳原子外层电子将在不同条件下进行不同的杂化。其中sp1、sp2、sp3是最为常见的杂化形式。图1.2是“碳原子的杂化轨道示意图”[2]当处于激发态碳原子的一个2s轨道与各填有一个电子的一个2p轨道相互杂化时，会产生一个σ键和两个相互垂直的л键（sp1杂化）；sp2杂化是激发态碳原子中的一个2s与两个2p轨道相互杂化形成的，这种杂化的杂化轨道处于一个平面上成平面三角形，三个σ键成120°分布，另一个2p轨道上的电子分布在л键轨道上且垂直于杂化轨道平面；处于激发态的2s轨道与3个2p轨道杂化时（sp3杂化），形成了各杂化轨道成109.5°均匀分布，且能态相同的正四面体结构。sp3杂化的四个外层电子各占一个轨道并与其它电子结合构成σ键。轨道杂化形成的σ键键能大于л键键能，进而结合强度也较л键结合强度高。同时，原子间的结合强度随结合键数量的增加而增强。