柔性钛基钠离子电池负极材料的研究

发布时间：2020-08-08 09:34

【摘要】：伴随便携式可穿戴电子产品行业的快速发展,柔性储能装置吸引广泛关注。其中,钠离子电池由于使用的钠盐储量丰富,价格低廉优势,且能量密度可与磷酸铁锂电池相媲美,有望成为下一代储能体系。电极材料作为电池关键部件很大程度上决定电池的性能和成本。因此,设计和制备柔性电池材料对推动储能体系发展具有重要研究意义。钛基材料因其独特结构实现钠离子可逆脱嵌,且种类丰富、资源广泛、环境友好等特点,已成为钠离子电池重要负极材料。然而,由于宽带隙造成低导电性,大表面能导致层状重堆积,以及钠离子脱嵌引起体积形变等问题,钛基材料的储钠动力学受到极大限制。因此,本论文以钛基材料为研究主体,围绕提高储钠动力学的结构设计,提出限域转化策略,制备出多种柔性钛基电极材料,并用于钠离子储存。具体研究内容如下:(1)通过真空抽滤法结合水热法制备了由超薄钛酸钠(NTO)层和还原氧化石墨烯(rGO)层组成的柔性薄膜。NTO层限域在rGO层中,并与rGO层组装成夹层三明治结构。这种三明治结构能有效地阻止NTO层自堆积,同时加快电子传递和钠离子传导。柔性NTO/rGO膜具有良好的机械性和柔性,直接作为钠离子电池负极材料。柔性NTO/rGO电极在5 A g~(-1)电流下,经过10000圈循环后,容量维持72 mA h g~(-1),表现出超高循环稳定性。同时,柔性NTO/rGO电极也具有优异的倍率性能,在5 A g~(-1)的电流密度下,容量还有97 mA h g~(-1)。(2)提出采用静电纺丝法结合水热法制备出柔性钛酸钠/多孔碳(NTO/PC)纤维。在水热反应下,NTO片层在碱溶液转化生成同时,碳纤维被刻蚀形成表面的孔洞和内部的孔道组成分级多孔结构,能有效提高电解液浸润性和离子快速传递。NTO/PC纤维薄膜经过弯曲、折叠和扭曲后,仍可以恢复原形并保持完整,展现良好柔韧性和机械性。柔性NTO/PC电极在大电流密度12.8 A g~(-1)下,平均比容量保持108.5 mA h g~(-1),可逆容量恢复平均保持率为94.2%,表现出优异的倍率性能。同时,柔性NTO/PC电极展现出高循环寿命,在10 A g~(-1)电流下,循环7000圈后,比容量维持83 mA h g~(-1)。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

物化性质

能源的利用在人类的衣食住行等方面得到充分体现[1]用的能源主要包含太阳辐射能、化石燃料（煤、天然气、石油、核能、以及生物质能等[2, 3]。传统化石燃料由于成熟的开采和目前最依赖的能源。但伴随传统化石类燃料的不可再生，以及题，清洁可再生能源的发展引起世界各国的广泛关注。然而，能源的开发都需要将所产生的能量进行储存[4, 5]。伴随智能电高电力系统运行的稳定性，降低供电成本，促进可再生能源的式主要包含物理储能和化学储能两种方式。其中，电化学储能其储能的件主要有：铅酸电池、镍镉电池、超级电容器、以及子电池由于具有能量密度高、充电时间短、循环寿命长等优点，无人机等领域应用逐渐变得广泛。然而，有限锂资源储存和分将限制锂离子电池未来的大规模储能应用[10]。因此，发展新型尤为重要。

体系,负极材料,电压平台,晶格间距

图 1-3 钠离子电池体系Figure 1-3 Sodium ion batteries system由于具有较大的离子半径，相对锂离子而言，在嵌入晶体结构择具有适合晶格间距和应力大小的钠离子电池电极材料更加严前研究的钠离子电池正/负极材料的比容量和电压窗口对比图。料的电压平台要求较高，而负极材料的电压平台要求则对应较极和负极材料的容量相差较大。在实际应用的过程中，选择合来组装钠离子电池尤为重要。因此，对电极材料研究具有重要

负极材料,正极材料,粘结剂,电解液

图 1-3 钠离子电池体系Figure 1-3 Sodium ion batteries system离子由于具有较大的离子半径，相对锂离子而言，在嵌入晶体结构过程中此选择具有适合晶格间距和应力大小的钠离子电池电极材料更加严格。示目前研究的钠离子电池正/负极材料的比容量和电压窗口对比图。从图中极材料的电压平台要求较高，而负极材料的电压平台要求则对应较低。同的正极和负极材料的容量相差较大。在实际应用的过程中，选择合适的正材料来组装钠离子电池尤为重要。因此，对电极材料研究具有重要意义。

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