钠金属电池的铜集流体表面改性探究
发布时间：2020-12-24 13:56
时代变革,随着科学技术的进步,各类新能源储能系统逐渐投入使用。随着电动汽车和大规模储能系统等领域的快速发展,加快开发新一代具有高能量密度的电池已经成为了当今社会的共识。在众多的电池负极材料中,钠金属负极由于具有较低的氧化还原电势和较高的理论容量而被认为是理想的下一代的负极材料。然而,钠金属负极存在着反应活性较高、容易与电解液反应等问题,此外,钠金属负极在电池的循环过程中会产生钠枝晶,钠枝晶的产生会导致电池容量降低,体积膨胀等问题,还可能引发电池爆炸,产生安全隐患。钠枝晶的产生也是目前钠金属负极最突出的问题,极大地阻碍了钠金属电池的发展。研究表明,构建稳定均匀的人工固态电解质界面膜是一种能有效改善钠枝晶问题的方法,基于这一思路,本文研究了具有双层复合保护层的铜集流体对钠金属负极性能的改善效果。本文使用简单的旋涂法,在纯铜集流体表面制备分别涂上了两层不同的保护层,其中,底层为Al2O3层,顶层为聚偏氟乙烯（PVDF）层（简称为Cu@APDL）。双层保护层中,底层的Al2O3层具有较高的机械模量,可以有效抑制钠枝晶的生长,顶层柔性的PVDF层可以缓解循环过程中负极表面的体积变化,两层保护层共...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Na-O2电池工作原理[28]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-Hartmann等人[22]首次报道了固态NaO2是唯一放电产物的Na-O2电池，该电池的理论放电电压低于2.5V，经循环测试发现，该电池首次循环放电平台约出现在2.2V左右，首次循环的充电平台出现在2.3V左右，这展现了该电池良好的可逆性能。近年来，Zhao等人[23]发现，在静止的氧气氛围中，NaO2将会是Na-O2电池的主要放电产物，而在流动的氧气分为中，NaO2H2O将会是Na-O2电池的主要放电产物。除以上研究之外，还有研究报道了Na-O2电池的主要放电产物还能是NaO2及Na2O2的组合或是Na2CO3[24-26]。理论计算也被应用于预测Na-O2电池的可能产物[27]。目前，Na-O2电池的放电产物的构成还存在着较大的争议。图1-1Na-O2电池工作原理[28]图1-2Na-O2电池面临的问题[28]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-6-负极，与锂金属负极类似，钠金属负极也面临着一些问题和挑战，主要为以下几点。图1-3钠金属电池存在的问题[38]在循环过程中，在充电阶段，Na+会接受外电路传输而来的电子而形成Na而沉积在负极上[15]。与锂离子的电化学沉积过程类似，有多种因素能影响钠枝晶的生长，如电流密度、离子迁移率、电解液及沉积能力等等[15,39-41]，研究表明枝晶的周围环境，如电解质的成分及性质、电流密度及固体电解质界面膜等因素，能对枝晶的生长产生非常大的影响。通常来说，高的电流密度容易促进枝晶的生长，枝晶一旦形成，将会对电池的性能产生极大的影响。钠枝晶的不断生长最后将会刺穿隔膜而导致短路，造成安全隐患。固体电解质界面膜（即SEI膜）也是一种可能影响钠枝晶生长的关键因素。固体电解质界面膜并非是均匀的，不均匀的固体电解质界面膜导致了钠离子的不均匀传输，这就导致了钠枝晶的形成及生长。近年的研究对不同维度的枝晶都进行了探究，如一维针状的枝晶，三维的苔藓状及树枝状的枝晶[42,43]。针状的枝晶和树枝状的枝晶都有可能导致电池短路从而引发安全问题，苔藓状的枝晶倾向于向多方向生长，这通常会导致“死钠”的产生。不管是哪一种枝晶，一旦枝晶形成并生长，电池的性能都会被严重影响。大多数的电极都会存在体积变化这一问题，这也是决定一种电极材料能否
【参考文献】：
期刊论文
[1]Advanced Na metal anodes[J]. Chenglong Zhao,Yaxiang Lu,Jinming Yue,Du Pan,Yuruo Qi,Yong-Sheng Hu,Liquan Chen. Journal of Energy Chemistry. 2018(06)
[2]钠电池的研究与开发现状[J]. 胡英瑛,温兆银,芮琨,吴相伟. 储能科学与技术. 2013(02)
本文编号：2935770
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Na-O2电池工作原理[28]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-Hartmann等人[22]首次报道了固态NaO2是唯一放电产物的Na-O2电池，该电池的理论放电电压低于2.5V，经循环测试发现，该电池首次循环放电平台约出现在2.2V左右，首次循环的充电平台出现在2.3V左右，这展现了该电池良好的可逆性能。近年来，Zhao等人[23]发现，在静止的氧气氛围中，NaO2将会是Na-O2电池的主要放电产物，而在流动的氧气分为中，NaO2H2O将会是Na-O2电池的主要放电产物。除以上研究之外，还有研究报道了Na-O2电池的主要放电产物还能是NaO2及Na2O2的组合或是Na2CO3[24-26]。理论计算也被应用于预测Na-O2电池的可能产物[27]。目前，Na-O2电池的放电产物的构成还存在着较大的争议。图1-1Na-O2电池工作原理[28]图1-2Na-O2电池面临的问题[28]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-6-负极，与锂金属负极类似，钠金属负极也面临着一些问题和挑战，主要为以下几点。图1-3钠金属电池存在的问题[38]在循环过程中，在充电阶段，Na+会接受外电路传输而来的电子而形成Na而沉积在负极上[15]。与锂离子的电化学沉积过程类似，有多种因素能影响钠枝晶的生长，如电流密度、离子迁移率、电解液及沉积能力等等[15,39-41]，研究表明枝晶的周围环境，如电解质的成分及性质、电流密度及固体电解质界面膜等因素，能对枝晶的生长产生非常大的影响。通常来说，高的电流密度容易促进枝晶的生长，枝晶一旦形成，将会对电池的性能产生极大的影响。钠枝晶的不断生长最后将会刺穿隔膜而导致短路，造成安全隐患。固体电解质界面膜（即SEI膜）也是一种可能影响钠枝晶生长的关键因素。固体电解质界面膜并非是均匀的，不均匀的固体电解质界面膜导致了钠离子的不均匀传输，这就导致了钠枝晶的形成及生长。近年的研究对不同维度的枝晶都进行了探究，如一维针状的枝晶，三维的苔藓状及树枝状的枝晶[42,43]。针状的枝晶和树枝状的枝晶都有可能导致电池短路从而引发安全问题，苔藓状的枝晶倾向于向多方向生长，这通常会导致“死钠”的产生。不管是哪一种枝晶，一旦枝晶形成并生长，电池的性能都会被严重影响。大多数的电极都会存在体积变化这一问题，这也是决定一种电极材料能否
【参考文献】：
期刊论文
[1]Advanced Na metal anodes[J]. Chenglong Zhao,Yaxiang Lu,Jinming Yue,Du Pan,Yuruo Qi,Yong-Sheng Hu,Liquan Chen. Journal of Energy Chemistry. 2018(06)
[2]钠电池的研究与开发现状[J]. 胡英瑛,温兆银,芮琨,吴相伟. 储能科学与技术. 2013(02)
本文编号：2935770
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