钠离子储能器件电极材料制备与性能研究
发布时间：2021-09-25 04:47
钠和锂具有相似的物理和化学性质且储量分布广泛,因此钠基储能系统是一个非常有吸引力的研究领域。目前,越来越多的研究人员致力于探索合适的电极材料,以设计和构建高性能的钠基储能系统/装置。其中,钠离子电池正极材料的电化学性能是由相结构的特点所决定,在电化学循环过程中,容易发生相变造成循环过程中材料结构的坍塌,进而影响循环性能。因此,在储钠层状氧化物材料的研究中,主要工作集中于材料体相元素掺杂或取代,以此来减弱相转变,提高材料的结构稳定性。而金属离子混合电容器结合了电池型负极和电容器型正极,兼具了高能量密度和高功率密度。实现这种混合电容器装置高性能的关键取决于:负极和正极材料在容量和动力学行为上均具有良好的电化学匹配。基于上述研究背景,本论文的研究内容包括以下三个方面:（1）以Na2CO3、N iO、TiO2为前驱体,采用固相合成法,通过调控反应时间、反应温度以及钠含量制备O3型Na0.8N i0.4.4 Ti0.6.6 O 2（N N T）...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)地壳（大陆）中元素的丰度与金属价格之间的关系，数据于2018年12月31日从http://www.metal.com收集；(b)代表性的智能电网组成部分：风能/
工程硕士学位论文3以上因素导致钠离子电池的能量密度低于锂离子电池，钠离子电池在注重能量密度的应用领域并无优势。但对于规模化储能应用来说，大容量配置、场地不受限制等特点决定了其对能量密度的要求相对较低，不存在因能量密度而限制其在储能领域的规模化应用。1.3钠离子电池正极材料简介1.3.1过渡金属氧化物可以用NaxMeO2表示过渡金属氧化物，其中Me表示过渡金属，包括Mn、Fe、Ni、Co、V、Cu、Cr等元素中的一种或几种；x表示钠的化学计量数，范围为0<x1。[14]。根据Delmas等人提出的系统，层状过渡金属氧化物可以分为两大类：O3和P2型，其中Na+分别占据八面体和棱柱形位点，如图1.2所示。对于O3相，钠含量x通常在0.7到1.0之间，而P2相中x通常在0.6≤x<0.7的范围内；在O3型相中，边缘共享的八面体位点处的钠离子最初是稳定的，当那些离子从O3型相中部分提取出来时，由于MeO2滑动产生了棱柱形位点，没有破坏Me-O键，这种结构被归为P3型相，如图1.2（d）所示。对于P2型相，具有较大钠离子的大棱柱形部位在能量上是稳定的，而钠离子的提取会引起MeO2的滑动并产生八面体部位，因此形成了具有氧气填充的新结构，该结构具有两个不同的具有AB和AC氧排列的MeO2层。AB和AC层之间的空位出现在八面体位置，即O2型相。O3型和P2型相都会遭受结构退化，从而导致不可逆的结构坍塌和容量的快速下降[9]。图1.2层状NaTMO2示意图(a)O3型，(b)P3型，(c)O2型和(d)P2型[9]
工程硕士学位论文8通过静电纺丝制造了一种氮掺杂碳纳米纤维薄膜，显示特别优异的循环寿命[48]。Zhou等人通过用H2S/Ar混合气体处理富N碳纳米片，制备了掺S富N碳纳米片，作为SIB负极，显示出高容量和优异的倍率性能[49]。石墨烯是一种独特的二维碳材料，具有较大的表面积，优异的电子导电性，良好的柔韧性和较高的化学稳定性，且有大量暴露的活性位，因此具有优异的储钠性能[50]。如图1.3（f）Dai等人采用三维（3D）N掺杂石墨烯泡沫，作为SIB负极，在500mAg-1时，表现出852.6mAhg-1的可逆容量，循环150圈后可以达到69.7%的容量保持率[51]。Guo和Wan研究了碳/石墨烯复合材料，在50mAg-1的电路密度下，具有670mAhg-1的可逆容量，100个循环后仍为400mAhg-1[52]。结合石墨烯的高容量以及多孔纳米结构碳的高循环稳定性和离子迁移率。如图1.3（g），Liu等人通过静电纺丝将剥落的石墨烯层分散在多孔碳纳米纤维中，可提供高可逆容量（在100mAg-1时为432.3mAhg-1），优异的的倍率性能（即使在10000mAg-1时也为261.1mAhg-1）和超长寿命(在1000次循环中保持91％的容量)[53]。与不可石墨化的硬碳相反，软碳为具有较高电子传导性的可石墨化的非石墨碳，其石墨化度和层间距离可以通过热处理来调节。一般而言，硬碳中的石墨层非常弯曲且不对齐，而软碳中的石墨层具有较小的曲率且排列得更好。图1.3(a)在线性醚基电解质中，溶剂Na+到石墨层中的共嵌入机理[36]，(b)膨胀石墨原位TEM图[38]，(c)大孔碳纳米片TEM图[46]，(d)中空碳纳米球TEM图[47]，(e)氮掺杂碳纳米纤维TEM图[48]，(f)3DN掺杂石墨烯泡沫TEM图[51]，(g)脱落的石墨烯/多孔碳纳米纤维TEM图[53]。1.4.2合金型材料因其高理论容量和优异的?
本文编号：3409119
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)地壳（大陆）中元素的丰度与金属价格之间的关系，数据于2018年12月31日从http://www.metal.com收集；(b)代表性的智能电网组成部分：风能/
工程硕士学位论文3以上因素导致钠离子电池的能量密度低于锂离子电池，钠离子电池在注重能量密度的应用领域并无优势。但对于规模化储能应用来说，大容量配置、场地不受限制等特点决定了其对能量密度的要求相对较低，不存在因能量密度而限制其在储能领域的规模化应用。1.3钠离子电池正极材料简介1.3.1过渡金属氧化物可以用NaxMeO2表示过渡金属氧化物，其中Me表示过渡金属，包括Mn、Fe、Ni、Co、V、Cu、Cr等元素中的一种或几种；x表示钠的化学计量数，范围为0<x1。[14]。根据Delmas等人提出的系统，层状过渡金属氧化物可以分为两大类：O3和P2型，其中Na+分别占据八面体和棱柱形位点，如图1.2所示。对于O3相，钠含量x通常在0.7到1.0之间，而P2相中x通常在0.6≤x<0.7的范围内；在O3型相中，边缘共享的八面体位点处的钠离子最初是稳定的，当那些离子从O3型相中部分提取出来时，由于MeO2滑动产生了棱柱形位点，没有破坏Me-O键，这种结构被归为P3型相，如图1.2（d）所示。对于P2型相，具有较大钠离子的大棱柱形部位在能量上是稳定的，而钠离子的提取会引起MeO2的滑动并产生八面体部位，因此形成了具有氧气填充的新结构，该结构具有两个不同的具有AB和AC氧排列的MeO2层。AB和AC层之间的空位出现在八面体位置，即O2型相。O3型和P2型相都会遭受结构退化，从而导致不可逆的结构坍塌和容量的快速下降[9]。图1.2层状NaTMO2示意图(a)O3型，(b)P3型，(c)O2型和(d)P2型[9]
工程硕士学位论文8通过静电纺丝制造了一种氮掺杂碳纳米纤维薄膜，显示特别优异的循环寿命[48]。Zhou等人通过用H2S/Ar混合气体处理富N碳纳米片，制备了掺S富N碳纳米片，作为SIB负极，显示出高容量和优异的倍率性能[49]。石墨烯是一种独特的二维碳材料，具有较大的表面积，优异的电子导电性，良好的柔韧性和较高的化学稳定性，且有大量暴露的活性位，因此具有优异的储钠性能[50]。如图1.3（f）Dai等人采用三维（3D）N掺杂石墨烯泡沫，作为SIB负极，在500mAg-1时，表现出852.6mAhg-1的可逆容量，循环150圈后可以达到69.7%的容量保持率[51]。Guo和Wan研究了碳/石墨烯复合材料，在50mAg-1的电路密度下，具有670mAhg-1的可逆容量，100个循环后仍为400mAhg-1[52]。结合石墨烯的高容量以及多孔纳米结构碳的高循环稳定性和离子迁移率。如图1.3（g），Liu等人通过静电纺丝将剥落的石墨烯层分散在多孔碳纳米纤维中，可提供高可逆容量（在100mAg-1时为432.3mAhg-1），优异的的倍率性能（即使在10000mAg-1时也为261.1mAhg-1）和超长寿命(在1000次循环中保持91％的容量)[53]。与不可石墨化的硬碳相反，软碳为具有较高电子传导性的可石墨化的非石墨碳，其石墨化度和层间距离可以通过热处理来调节。一般而言，硬碳中的石墨层非常弯曲且不对齐，而软碳中的石墨层具有较小的曲率且排列得更好。图1.3(a)在线性醚基电解质中，溶剂Na+到石墨层中的共嵌入机理[36]，(b)膨胀石墨原位TEM图[38]，(c)大孔碳纳米片TEM图[46]，(d)中空碳纳米球TEM图[47]，(e)氮掺杂碳纳米纤维TEM图[48]，(f)3DN掺杂石墨烯泡沫TEM图[51]，(g)脱落的石墨烯/多孔碳纳米纤维TEM图[53]。1.4.2合金型材料因其高理论容量和优异的?
本文编号：3409119
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