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锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、对环境友好，被认为是便携式电子器件和新能源汽车最有应用前景的储能装置之一。而负极材料作为锂离子电池不可或缺的一部分，它的储锂能力大小也直接决定着整个电池的容量大小。商业化锂离子电池的负极材料以石墨碳材料为主。虽然成本较低、导电性和安全性都比较好，但是理论容量仅有372mAhg-1，难以满足现代社会对高能量密度的要求。因此，积极开发储锂能力大、安全稳定性好的锂离子电池新型负极材料，并解决其存在的关键科学问题势在必行。过渡金属化合物(如氧化物、硫化物、硒化物等)材料具有比较高的理论容量、天然丰度和环境生态友好性，是锂离子电池的有前途的负极材料。然而，由于相对较差的导电性以及在充放电过程中的体积变化，导致了电极材料在循环过程中容量衰减过快。因此，本文针对上述两个弊端，设计并合成了一系列多孔纤维结构的钴基复合物，并对其储锂性能进行了探究。具体研究内容如下：
(1)以聚丙烯腈(PAN)和硝酸钴(Co(NO3)2?6H2O)为原料，通过静电纺丝技术和随后的热处理制备了Co3O4/C多孔纳米纤维复合材料。研究发现，Co3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料时显示出优越的电化学性能。Co3O4/C电极在电流密度为0.1Ag-1下的首次比容量高达1375mAhg-1。在电流密度为0.1、0.2、0.5、1.0、2.0和5.0Ag-1时显示出1142、1107、1016、863、570和336mAhg-1的放电比容量。此外，Co3O4/C电极在0.1Ag-1的电流密度下经过100次循环后可逆容量还保有1115mAhg-1，容量保持率97.9%。表明Co3O4/C材料的倍率性能、循环稳定性和可逆性较好。
(2)以聚丙烯腈(PAN)和硝酸钴(Co(NO3)2?6H2O)为原料，通过静电纺丝技术和随后的热处理制备了Co3O4/C多孔纳米纤维材料，而后进行硫化得到血管状CoS2/C纳米纤维材料。实验表明，与颗粒状CoS2材料相比，CoS2/C复合纤维材料具有更高的可逆容量、更稳定的循环性能以及更优异的倍率性能。CoS2/C电极在电流密度为0.1Ag-1下的首次放电比容量高达1215mAhg-1。此外，CoS2/C电极在0.1Ag-1的电流密度下经过100次循环后可逆容量还保有904mAhg-1，容量保持率96%。CoS2/C电极材料优异的循环稳定性和倍率性能可能来源于碳氮共掺杂的血管状多孔纤维结构，这不仅有利于提高其导电性和电子电导率，更重要的是，掺杂的碳还可以吸附电极表面产生的多硫化物中间体。
(3)以聚丙烯腈(PAN)和硝酸钴(Co(NO3)2?6H2O)为原料，通过静电纺丝技术和随后的热处理制备出中间产物Co/C纤维材料，而后进行硒化得到CoSe2/C多孔复合纳米纤维材料。其电化学测试表明，CoSe2/C复合纤维材料表现出优异的倍率性能和循环性能。CoSe2/C电极在电流密度为0.1Ag-1下的首次放电比容量高达1149mAhg-1。此外，CoSe2/C电极在0.1Ag-1的电流密度下经过100次循环后可逆容量高达795mAhg-1。CoSe2/C电极材料复合材料Li+储存性能的提高归因于复合了碳纤维基体，它作为CoSe2的载体，不仅提高了材料的电导率和导电性，而且还能缓解充放电过程中的体积膨胀。
总之，本论文针对钴基金属化合物电极材料存在的导电性差和循环过程中体积膨胀问题，利用静电纺丝技术设计制备了一系列钴基化合物和多孔碳纤维复合材料，利于提高电极材料导电性；同时化合物颗粒嵌于多孔碳纤维内，能有效抑制电极材料的体积变化，从而获得高性能钴基化合物负极。
(1)以聚丙烯腈(PAN)和硝酸钴(Co(NO3)2?6H2O)为原料，通过静电纺丝技术和随后的热处理制备了Co3O4/C多孔纳米纤维复合材料。研究发现，Co3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料时显示出优越的电化学性能。Co3O4/C电极在电流密度为0.1Ag-1下的首次比容量高达1375mAhg-1。在电流密度为0.1、0.2、0.5、1.0、2.0和5.0Ag-1时显示出1142、1107、1016、863、570和336mAhg-1的放电比容量。此外，Co3O4/C电极在0.1Ag-1的电流密度下经过100次循环后可逆容量还保有1115mAhg-1，容量保持率97.9%。表明Co3O4/C材料的倍率性能、循环稳定性和可逆性较好。
(2)以聚丙烯腈(PAN)和硝酸钴(Co(NO3)2?6H2O)为原料，通过静电纺丝技术和随后的热处理制备了Co3O4/C多孔纳米纤维材料，而后进行硫化得到血管状CoS2/C纳米纤维材料。实验表明，与颗粒状CoS2材料相比，CoS2/C复合纤维材料具有更高的可逆容量、更稳定的循环性能以及更优异的倍率性能。CoS2/C电极在电流密度为0.1Ag-1下的首次放电比容量高达1215mAhg-1。此外，CoS2/C电极在0.1Ag-1的电流密度下经过100次循环后可逆容量还保有904mAhg-1，容量保持率96%。CoS2/C电极材料优异的循环稳定性和倍率性能可能来源于碳氮共掺杂的血管状多孔纤维结构，这不仅有利于提高其导电性和电子电导率，更重要的是，掺杂的碳还可以吸附电极表面产生的多硫化物中间体。
(3)以聚丙烯腈(PAN)和硝酸钴(Co(NO3)2?6H2O)为原料，通过静电纺丝技术和随后的热处理制备出中间产物Co/C纤维材料，而后进行硒化得到CoSe2/C多孔复合纳米纤维材料。其电化学测试表明，CoSe2/C复合纤维材料表现出优异的倍率性能和循环性能。CoSe2/C电极在电流密度为0.1Ag-1下的首次放电比容量高达1149mAhg-1。此外，CoSe2/C电极在0.1Ag-1的电流密度下经过100次循环后可逆容量高达795mAhg-1。CoSe2/C电极材料复合材料Li+储存性能的提高归因于复合了碳纤维基体，它作为CoSe2的载体，不仅提高了材料的电导率和导电性，而且还能缓解充放电过程中的体积膨胀。
总之，本论文针对钴基金属化合物电极材料存在的导电性差和循环过程中体积膨胀问题，利用静电纺丝技术设计制备了一系列钴基化合物和多孔碳纤维复合材料，利于提高电极材料导电性；同时化合物颗粒嵌于多孔碳纤维内，能有效抑制电极材料的体积变化，从而获得高性能钴基化合物负极。