钠离子电池用普鲁士蓝及其铜掺杂类似物的合成及性能

发布时间：2020-09-30 08:40

　　具有高容量和长循环稳定性的原始普鲁士蓝(PB)及其类似物(PBA),在钠离子电池(SIB)研究中,具有重要的地位。由于价格便宜,环境友好,易于合成并具有较高的理论容量,原始PB和掺杂的PBA材料正成为钠离子电池领域的研究热点。本论文研究工作的重点是原始PB和铜掺杂PBA的合成和电化学性能评估。通过利用柠檬酸钠,PVP和低温的有效组合技术,合成原始普鲁士蓝(PB)和铜掺杂的普鲁士蓝类似物(PBA)材料。当合成PB和PBA材料时,反应的主要前体是十水合亚铁氰化钠(Na_4Fe(CN)_6·10H_2O),四水合氯化亚铁(FeCl_2·4H_2O)和二水合氯化铜(CuCl_2·2H_2O),而PolyVinylPyrrollidone(PVP),柠檬酸钠(Na_3C_6H_5O_7·2H_2O)和氯化钠(NaCl)用作添加剂。在整个实验中,所有前驱体和其他添加剂保持恒定,同时温度,柠檬酸钠的量和铁与铜的比例被研究优化在25℃下使用较少的柠檬酸钠(NPB-1)合成的PB样品,在1C下释放132mAh/g的可逆比容量,150个循环后容量保持率为40%。在合成期间,柠檬酸钠的量增加到(NPB-2),使得1C的可逆比容量变为97 mAh/g,150次循环后容量保持率为70%。在0℃下进行实验,有助于减缓成核和晶体生长,实现空位数量减少,钠含量增加和结晶度提高的目的,最终在1C的第150次循环后获得超过78.4%的高容量保持率。柠檬酸钠的量,Fe:Cu的比例和温度也都直接影响铜掺杂的PBA的电化学性能。在25℃下使用Fe:Cu=3:2合成的铜掺杂PBA样品(NPBC-1)具有64 mAh/g的初始放电比容量和300次循环后的容量保持率59%。然而,当使用相同量的柠檬酸钠时,在25℃(NPBC-4)下改变为Fe:Cu=3:1的比率,初始放电比容量增加110 mAh/g,并且在300次循环后容量保持率为56%。从上诉结果可以得出结论:随着Fe:Cu的比例减少(铜的量减少),初始比放电容量增加。这说明铜对提高比容量没有帮助,但有助于提高容量保持率,因为它可以提高PBA晶体结构的刚性,使其在循环过程中晶格不易坍塌。另外,温度对铜掺杂PBA的影响与在原始PB中观察到的相似。总之,本研究发现优化温度和柠檬酸钠的量有助于改善PB和PBA样品的容量和容量保持率,而优化铜掺杂仅有助于提高容量保持率。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912
【文章目录】：
摘要
Abstract
Chapter1 introduction
    1.1.Background
    1.2 Anode materials for sodium ion batteries
    1.3 Cathode materials for sodium ion batteries
        1.3.1 Layered transitional metal oxides
        1.3.2 Polyanions and pyrophosphates
        1.3.3 Organic materials
        1.3.4 Prussian blue (PB) and Prussian blue analogs (PBAs)
            1.3.4.1 Theoretical background on PB and PBAs
            1.3.4.2 Work progress and achievements on PB and PBAs
            1.3.4.3 Existing problems of PB and PBAs to be investigated
    1.4 Research content
    1.5 Brief summary
Chapter2 Materials and methods
    2.1 Materials and equipment
        2.1.1 Chemical reagents
        2.1.2 Equipment
    2.2 Material preparation methods
        2.2.1 Synthesis of pristine PB at 25℃
        2.2.2 Synthesis of pristine PB at 0℃
        2.2.3 Synthesis of copper doped PBA at 25℃
        2.2.4 Synthesis of copper doped PBA at 0℃
    2.3 Characterization
    2.4 Electrode preparation and cell assembly
    2.5 Electrochemical tests and analysis
Chapter3 ynthesis and Electrochemical Performance of Pristine PB
    3.1 Introduction
    3.2 Structure and morphology of pristine PB obtained at 25℃
    3.3 Electrochemical performance of pristine PB obtained at 25℃
    3.4 Structure and morphology of pristine PB obtained at 0℃
    3.5 electrochemical performance of pristine PB obtained at 0℃
    3.6 Brief summary
Chapter4 Synthesis and Electrochemical performance of Copper Doped PBA
    4.1 Introduction
    4.2 Structure and morphology of copper doped PBA obtained at 25℃
    4.3 Electrochemical performance of copper doped PBA obtained at 5℃
    4.4 Structure and morphology of copper doped PBA obtained at 0℃
    4.5 Electrochemical performance of copper doped PBA obtained at 0℃
    4.6 Brief summary
结论
Conclusion
References
Acknowledgements
Author's biography

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