低维纳米材料的设计、制备及其钠离子电池性能研究

发布时间：2018-03-18 05:33

本文选题：钠离子电池　切入点：正极　出处：《吉林大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着太阳能、风能等可再生能源的快速发展,把这些非连续的电能成功的存储到大规模的电能存储电网系统变得越来越重要。在这些潜在的能源存储技术中,电化学蓄电池技术由于其灵活性,能量转换效率高和维护简便等优点,使得电化学蓄电池成为大规模电能存储的最有效的方法。到目前为止,锂离子电池是开发最成功的电能存储技术,已被广泛应用在便携式电子和电动汽车等移动设备和装置上。然而锂资源的匮乏限制了锂离子电池在未来的进一步应用。钠,有着与锂极其相似的物理和化学性质,而且资源丰富,价格低廉。因此,钠离子电池再次引起了人们极大的兴趣和广泛的关注,特别是大型固定能量存储装置和设备的应用。然而,现阶段的钠离子电池的研究还比较少,可选的正负极电极材料和工艺还不成熟,所以目前的钠离子电池性能还无法与锂电池相媲美。所以,寻找并发展氋容量与长循环寿命的钠离子电池电极材料是关键,而且存在着极大的挑战。基于上述原因和条件,我们以锂离子电池技术为基础,在钠离子电池正负极方面开展了多项探索性的实验,做出了一些开创性的工作,并提出了一些独到的见解,主要研究内容和结果如下:1.通过原位碱性溶液腐蚀铜箔法制备了柔性多孔的三维纳米阵列结构的Cu O纳米棒。这种三维阵列结构的纳米棒制备简便,可大规模制备。更重要的是它在应用到钠离子电池中时可以不使用任何粘结剂和导电剂,这种做法不仅降低了电池的制作成本,同时也简化了电池原本繁复的制作工艺。在钠离子电池中,这种三维阵列结构的Cu O纳米棒与其它纳米结构的Cu O相比更表现出了极大的优势,比如在较大的电流密度下仍有大于640 m A g-1的比容量,优越的倍率性能(大于8C,200 m A g-1)以及出色的循环稳定性。结果表明,三维多孔阵列结构的Cu O是一种较有前景的高性能钠离子电池负极材料。2.通过调节碱的种类、浓度、生长条件等方式,快速、有效的控制并制备了三维、层状的单晶Sn Se纳米片簇作为高容量、高倍率,高能量密度的钠离子电池负极。研究中发现,碱性条件是制备纯相Sn Se的必备条件。当把这种三维的Sn Se纳米片簇作为钠离子电池负极时,该材料表现出了接近理论容量的充放电比容量(738 m Ah g-1),超高的倍率性能(40 A g-1,约为2400C),更重要的是,这种材料在和一种钠离子电池正极材料组装成全电池时,表现出了很高的放电平台(~3.4 V),高的能量密度和出色的循环稳定性。3.Na2V6O16·3H2O纳米带作为高容量的钠离子电池正极及对称电池电极。通过五氧化二钒、氢氧化钠和水为原材料,用简单的水热法制备了大小均匀、形貌统一的一维Na2V6O16·3H2O纳米带。这种一维的纳米带相比于块体材料具有较大的比表面积和更好的柔韧性,而且这种钒酸钠是一种层状结构,在作为钠离子电极时可以为钠离子的存储提供更多的空间,方便钠离子的快速嵌入和脱出。作为钠离子电池正极时,该材料的容量近200 m Ah g-1,作为对称电池时其首次容量也超过130m Ah g-1,能量密度大于80 Wh kg-1,而且安全性很高。4.Na1.1V3O7.9一维单晶纳米带作为高容量、长循环寿命的钠离子电池正极。在Na2V6O16·3H2O一维纳米带的基础上,我们对Na2V6O16纳米带进行了精确的热处理,得到了结构新颖的层状Na1.1V3O7.9纳米带。同时我们也对该材料做了结构精修计算,进一步确认了该材料的纯度和结构。在作为钠离子电池的正极时,该材料表现出了较高钠离子电池性能,比如大于170 m Ah g-1的容量,突出的循环稳定性和倍率性能。此外,我们还对该材料的充放电机理进行了深入的探讨。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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