高性能钠离子薄膜电池负极材料的研究

发布时间：2017-07-02 00:09

  本文关键词：高性能钠离子薄膜电池负极材料的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：对于新能源社会的建设,规模储电是众多应用中的关键技术。要达到规模储电的要求,首要因素是成本与环境友好,而能量密度次之。目前应用最广的锂离子电池由于其开采成本高等原因限制其大规模储能。相比较而言,钠离子电池具有资源丰富易开采、环境友好、原料丰富、成本低等优点,符合规模化储能应用要求。因此当前储能电池的只要研究方向为开发具有更高能量密度、更长循环寿命以及更高安全性的钠离子电池的电极材料。本论文主要利用静电喷雾沉积和化学合成法,分别制备了碳包覆锑的薄膜(C/Sb)和纳米多孔硬碳纤维负极材料,并对材料的碳包覆和纳米多孔结构对电化学储钠性能的影响进行了系统研究。在第一章中,简要说明了钠离子电池的基本组成结构和工作原理,并对常见的钠离子电池正负极材料的研究现状进行了综述,按照其结构类型对于电极材料进行了分析。静电喷雾沉积作为一种薄膜的制备方法,在众多领域内都有所应用。在第章中对这一技术的装置和工作原理进行了阐述,并且对实验中使用的其它仪器和表征手段进行了介绍。在第三章中,我们利用通过静电喷雾技术制备三维网状多孔C/Sb复合负极材料。它显示出优良的可逆容量和稳定的循环性能：0.2C条件下可逆容量达到630 mAh g-1,达到理论比容量的96%。3C电流密度下900次循环后仍保持224mAh g-1的比容量。这归因于独特的网络多孔结构设计：均一尺寸的纳米级锑粒子更利于钠离子的存储；多孔碳基体能有效缓解锑粒子的团聚和体积膨胀；多孔网状结构易于电解液的浸润。在第四章中,我们选用具有高吸水性的细菌纤维素为模板,设计制备得到N,O共掺杂的三维纳米多孔硬碳纤维材料。在合成过程中,通过调整KOH的用量,来控制所得三维纳米多孔硬碳纤维的比表面积和孔径大小。它展现了高的可逆容量和超长循环性能：在100 mAg-1条件下循环100次后保持545 mAhg-1的容量,在高电流密度2Ag-1下2000次长循环后仍维持240 mAg-1。此外我们对三维纳米多孔碳纤维电极材料的储钠机理进行了探究,高的比表面积和多孔结构更利于电解液的浸润,而N,O共掺杂提高了碳材料的导电性和表面亲水性。者协同作用,实现有效提高其储钠的循环稳定性和快速充放电性能。在第四章的基础上,在第五章中,我们成功合成了三维B,N共掺杂硬碳纳米纤维自支撑电极材料,展现了优异的电化学性能100 mAg-1电流密度下100次循环后仍有581mAhg-1的比容量,且10Ag-1电流密度下比容量有277 mAhg-1。所得到的显著性能归因于B,N共掺杂所产生的缺陷、大的比表面积、扩大的碳层间距和三维多孔结构的协同作用。在论文的六章,总结了本论文的创新点和不足之处,并对接下来的研究工作提出了展望。
【关键词】：钠离子电池 静电喷雾沉积 掺杂 合金材料 三维多孔硬碳纤维
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 引言12-14
• 1.2 钠离子电池组成与工作原理14-15
• 1.3 钠离子电池常见正极材料15-17
• 1.3.1 氧化物型材料15-16
• 1.3.2 过渡金属氟化物正极材料16
• 1.3.3 磷酸亚铁钠(NaFePO4)正极材料16-17
• 1.3.4 NASICON型化合物17
• 1.4 钠离子电池负极材料17-19
• 1.4.1 碳基材料18
• 1.4.2 金属氧化物18-19
• 1.4.3 合金负极材料19
• 1.5 电解液19-20
• 1.5.1 液体电解液19-20
• 1.5.2 固态电解液20
• 1.6 课题的背景和内容20-21
• 参考文献21-28
• 第二章 实验仪器与方法28-36
• 2.1 静电喷雾沉积原理及装置28-29
• 2.2 材料表征手段与仪器29-30
• 2.2.1 X射线衍射分析(XRD)29
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)29
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)29
• 2.2.4 傅里叶红外谱仪(FT-IR)29
• 2.2.5 拉曼光谱仪(Raman)29-30
• 2.2.6 热重分析仪30
• 2.2.7 X射线光电子能谱分析仪(XPS)30
• 2.2.8 烘箱30
• 2.2.9 真空管式气氛炉和马弗炉30
• 2.3 钠离子电池的组装与测试30-33
• 2.3.1 刮刀法制备电极膜30-31
• 2.3.2 半电池的组装31
• 2.3.3 钠离子电池电化学性能测试仪器及方法31-33
• 参考文献33-36
• 第三章 C/Sb复合负极材料的静电喷雾沉积制备36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 实验部分36-38
• 3.2.1 静电喷雾沉积制备薄膜材料36-37
• 3.2.2 电池制备及电化学性能测试37-38
• 3.3 实验结果与讨论38-44
• 3.3.1 材料的分析与表征38-40
• 3.3.2 电化学性能测试结果与分析40-44
• 3.4 本章小结44-46
• 参考文献46-50
• 第四章 3D N,O共掺杂碳纳米纤维的制备与应用50-64
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-51
• 4.2.1 3D N,O共掺杂碳纳米纤维的制备50-51
• 4.2.2 电池制备及电化学性能测试51
• 4.3 实验结果与讨论51-59
• 4.3.1 材料的分析与表征51-56
• 4.3.2 电化学性能测试结果与分析56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 参考文献60-64
• 第五章 3D B,N共掺杂碳纳米纤维自支撑电极的制备与应用64-76
• 5.1 引言64-65
• 5.2 实验部分65-66
• 5.2.1 3D N,O共掺杂碳纳米纤维的制备65
• 5.2.2 电池制备及电化学性能测试65-66
• 5.3 实验结果与讨论66-71
• 5.3.1 材料的分析与表征66-69
• 5.3.2 电化学性能测试结果与分析69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 参考文献72-76
• 第六章 论文总结与展望76-78
• 6.1 本论文的创新之处76
• 6.2 本论文的不足之处76
• 6.3 未来研究工作展望76-78
• 致谢78-80
• 在读期间发表的学术论文80

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