大晶面间距碳纳米结构的制备及储能研究
发布时间：2021-09-25 18:09
锂离子电池由于稳定性好、使用寿命长、比容量高、自放电小、安全性能好以及环境友好等优点得到了广泛的应用。然而,锂资源在地球上的贮存量有限,这会限制锂离子电池的大规模普及应用。而在物理和化学性质方面钠离子电池与锂离子电池最为相近,并且钠资源非常丰富、成本较低等优点,被认为是理想的下一代二次电池。石墨广泛应用于商业化锂离子电池的负极材料,但由于较小的晶面间距（0.335 nm）限制了离子的可逆脱嵌,特别是大半径的Na+,不利于性能的提升。因此,开发新型高性能负极材料已经成为研究的热点。本论文基于催化化学气相沉积技术（CCVD）,首先选取金属氧化物型ZnO作为模板制备了新型碳纳米胶囊（CNC）,并研究了其形貌结构特性及其储锂/钠性能。进一步地,基于低成本和绿色环保理念,选取水溶性Na2CO3作为模板,制备了新型超薄碳纳米片（CNS）,研究了反应温度对CNS生长的影响,并分析了其储钠特性。以ZnO纳米颗粒作为模板和催化剂,乙炔为碳源,通过CCVD技术在ZnO表面原位生长CNC。制备的CNC呈现三维空心开口的胶囊状结构,胶囊壁厚5-...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池原理图：石墨为负极，LiCoO2为正极[3]
第一章绪论5的主要动力是来源于锂离子电池的成功、锂资源的局限性以及锂和钠两种碱金属的物理化学性质的相似性。钠离子电池技术由于更低的价格、丰富的储量以及与锂相近的物理化学性质，最近被认为很有希望在未来取代锂离子电池[29]。表1-3中为锂、钠两种元素物理化学性质的对比。其中离子半径和标准电极电势是影响电池性能的重要参数。表1-3锂元素和钠元素的物理化学性质对比性质LiNa相对原子质量（gmol-1）6.9422.99电子构型He2s1Ne3s1阳离子半径（）0.761.02标准电极电势（V）-3.04-2.71熔点（°C）180.597.7密度（gcm3）0.9710.534第一电离能（kJmol1）520.2495.8理论质量比容量（mAhg1）38611165理论体积比容量（mAhcm3）206211311.3.1钠离子电池工作原理类似的工作原理也适用于钠离子电池，相应的工作原理图和充放电机理如图1-2所示，即在充放电过程中，钠离子在正负极之间反复的嵌入和脱出实现储能应用：充电时，钠离子从正极脱嵌，经过电解质和隔膜嵌入负极中；放电时则恰好相反，也是摇椅式电池。不同之处在于，钠离子半径相对锂离子具有更大的离子直径，导致大多数适合与锂离子嵌入/脱出的材料并不能适用于钠离子电池。图1-2钠离子电池的工作原理图和充放电机理，电极材料以层状纳米二氧化锰和硬碳为例[30]
电子科技大学硕士学位论文61.3.2钠离子电池电极材料研究现状钠离子电极材料的选择对电化学性能具有重要影响，因此也是目前研究的重点和热点。目前主要的正极材料有三种：3D阴离子化合物（NaMPO4、NaxMP2O7、Na2FePO4F和Na3MPO4CO3等）[31]、普鲁士蓝类化合物（AxM′M(CN)6,A=Na、K；M和M′=Fe、Co、Mn、Ni等）[32]和钠层状氧化物（NaxMO2，M=Fe、Co、Mn等）[6]。聚阴离子化合物由于其结构稳定，适合作为长寿命、高安全性的正极材料。此外，由于聚阴离子多面体中的氧原子具有很强的共价键，因此聚阴离子化合物在高充电电压下具有很好的氧化稳定性。但是这种材料容量普遍较低。普鲁士蓝类化合物具有开放的立方体框架和良好的间隙位置，有利于钠离子的嵌入脱出。钠层状氧化物具有较高的理论能量密度，但由于其电导率低，在容量与充放电速率之间的权衡等方面存在严重的缺陷，导致反应动力学缓慢，倍率性能不理想。现阶段正极材料皆存在优点与不足，仍需深入研究对其进行改性和优化以达到大规模应用需求。图1-3各种正极材料的比容量、工作电势和比能量的统计分布图[30]虽然锂离子电池技术的发展为钠离子电池提供了很好的指导，但探索合适的负极来容纳Na+仍然是一个挑战。例如，用于锂电池的工业负极石墨在钠离子电池中的容量非常低，因为它很难形成Na+的阶段式插层化合物[33]。因此，为钠离子电池找到合适的负极材料是急需解决的。对于钠离子电池体系，钠离子的还原电位（-2.71VvsSHE）是最低的电极电位[29]。而为了能量密度的提升，理想的负极材料应具有理论上最低电位和最高比容量。迄今为止，多种类型的钠离子电池负极
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池过往与未来[J]. 索鎏敏,李泓. 物理. 2020(01)
[2]新一代动力锂离子电池研究进展[J]. 苏芳,李相哲,徐祖宏. 电源技术. 2019(05)
[3]水系钠离子电池电极材料研究进展[J]. 刘双,邵涟漪,张雪静,陶占良,陈军. 物理化学学报. 2018(06)
本文编号：3410202
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池原理图：石墨为负极，LiCoO2为正极[3]
第一章绪论5的主要动力是来源于锂离子电池的成功、锂资源的局限性以及锂和钠两种碱金属的物理化学性质的相似性。钠离子电池技术由于更低的价格、丰富的储量以及与锂相近的物理化学性质，最近被认为很有希望在未来取代锂离子电池[29]。表1-3中为锂、钠两种元素物理化学性质的对比。其中离子半径和标准电极电势是影响电池性能的重要参数。表1-3锂元素和钠元素的物理化学性质对比性质LiNa相对原子质量（gmol-1）6.9422.99电子构型He2s1Ne3s1阳离子半径（）0.761.02标准电极电势（V）-3.04-2.71熔点（°C）180.597.7密度（gcm3）0.9710.534第一电离能（kJmol1）520.2495.8理论质量比容量（mAhg1）38611165理论体积比容量（mAhcm3）206211311.3.1钠离子电池工作原理类似的工作原理也适用于钠离子电池，相应的工作原理图和充放电机理如图1-2所示，即在充放电过程中，钠离子在正负极之间反复的嵌入和脱出实现储能应用：充电时，钠离子从正极脱嵌，经过电解质和隔膜嵌入负极中；放电时则恰好相反，也是摇椅式电池。不同之处在于，钠离子半径相对锂离子具有更大的离子直径，导致大多数适合与锂离子嵌入/脱出的材料并不能适用于钠离子电池。图1-2钠离子电池的工作原理图和充放电机理，电极材料以层状纳米二氧化锰和硬碳为例[30]
电子科技大学硕士学位论文61.3.2钠离子电池电极材料研究现状钠离子电极材料的选择对电化学性能具有重要影响，因此也是目前研究的重点和热点。目前主要的正极材料有三种：3D阴离子化合物（NaMPO4、NaxMP2O7、Na2FePO4F和Na3MPO4CO3等）[31]、普鲁士蓝类化合物（AxM′M(CN)6,A=Na、K；M和M′=Fe、Co、Mn、Ni等）[32]和钠层状氧化物（NaxMO2，M=Fe、Co、Mn等）[6]。聚阴离子化合物由于其结构稳定，适合作为长寿命、高安全性的正极材料。此外，由于聚阴离子多面体中的氧原子具有很强的共价键，因此聚阴离子化合物在高充电电压下具有很好的氧化稳定性。但是这种材料容量普遍较低。普鲁士蓝类化合物具有开放的立方体框架和良好的间隙位置，有利于钠离子的嵌入脱出。钠层状氧化物具有较高的理论能量密度，但由于其电导率低，在容量与充放电速率之间的权衡等方面存在严重的缺陷，导致反应动力学缓慢，倍率性能不理想。现阶段正极材料皆存在优点与不足，仍需深入研究对其进行改性和优化以达到大规模应用需求。图1-3各种正极材料的比容量、工作电势和比能量的统计分布图[30]虽然锂离子电池技术的发展为钠离子电池提供了很好的指导，但探索合适的负极来容纳Na+仍然是一个挑战。例如，用于锂电池的工业负极石墨在钠离子电池中的容量非常低，因为它很难形成Na+的阶段式插层化合物[33]。因此，为钠离子电池找到合适的负极材料是急需解决的。对于钠离子电池体系，钠离子的还原电位（-2.71VvsSHE）是最低的电极电位[29]。而为了能量密度的提升，理想的负极材料应具有理论上最低电位和最高比容量。迄今为止，多种类型的钠离子电池负极
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池过往与未来[J]. 索鎏敏,李泓. 物理. 2020(01)
[2]新一代动力锂离子电池研究进展[J]. 苏芳,李相哲,徐祖宏. 电源技术. 2019(05)
[3]水系钠离子电池电极材料研究进展[J]. 刘双,邵涟漪,张雪静,陶占良,陈军. 物理化学学报. 2018(06)
本文编号：3410202
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