高安全性钠/钾离子电池阻燃电解液及有机电极材料的设计与研究
发布时间：2020-12-26 08:22
自从上个世纪锂离子电池发明以来,其已广泛地应用于人们的日常生活中,是一种理想的储能设备,有着比能量大、电压高、循环寿命长和绿色无污染等诸多优点。但是,受限于锂资源的低储量和高成本,其大规模运用将受到限制。钠和钾金属资源在地壳含量高,且与锂金属拥有类似的物化性质,因此,钠/钾离子电池逐渐引起了科学家们的注意。与锂离子电池相似的,钠/钾离子电池的发展同样也受到安全性问题的限制。该安全性问题主要是由高度易燃的碳酸酯类电解液和热稳定性差的电极材料因素引起的。但是,对于钠/钾离子电池安全性问题的研究,仍存在不少空白。因此,发展不可燃电解液和热稳定性好的电极材料是推动钠/钾离子电池发展的重要技术途径。基于此,本文探索了钠/钾离子电池不可燃电解液及钾离子电池有机材料电极体系,主要研究内容如下:（1）针对钠离子电池常用碳酸酯类电解液的高度易燃性,探索采用了氟代碳酸酯类电解液0.9 M NaPF6 FEC/TFEC,以提高该电解液体系的安全性和电化学性能。研究结果显示,氟代碳酸酯体系电解液在直接点火测试中可达到完全不可燃;由于氟代溶剂较大的粘度,电解液的电导率较低,但远大于安全性有机固态电解质电导率;较...
【文章来源】： 曾桂芳 山东大学
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３钠离子电池示意图Ｗ??
山东大学硕士学位论文??学与电化学稳定性较差，导致副反应的产生，从而产生较大的界面阻抗ｍ。目前，??钠离子电池常用的无机固态电解质有ＮＡＳＩＣＯＮ、硫化物和Ｎａ－ｐ／ｐ”－Ａｌ２０３等［３Ｇ－??３ｌ］??〇??１．３钾离子电池??１．３．１钾离子电池的历史??钾离子电池的历史可追溯到２００４年，Ａｌｌ?Ｅｆｔｅｋｈａｒｉ首次提出钾离子电池原??型，正极是普鲁士蓝，负极是金属钾，循环了?５００圈后只损失了?１２％的容量［：＇２－??３３１。２００５年，有专利对ＫＰｆ，作为钾离子电解质进行了报道。２００７年中国Ｓｔａｒｓｗａｙ??Ｅｌｅｃｔｒｏｍｃｓ公司推出以钾离子电池为动力的便携式播放器，但是该公司并没有提??供电池的任何规格参数。后来，由于钾离子电池安全性问题和锂／钠离子电池的??逐渐成熟，钾离子电池研宄停滞了多年，直到２０１５年以来才出现了大量的关于??钾离子电池的文献报道｜２＾３５１。??４００?１???Ｉ??〇?３００?－??Ｈ?Ｉ??Ｅ?ｌｏｏ－?■■■??＼??｜??ｕ?Ｉ?■?Ｉ?画?Ｉ?■面■■面?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?１?Ｉ?■?■?■?Ｉ?■?Ｉ?＿?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?■?■??２００４?２００６?２００８?２０１０?２０１２?２０１４?２０１６?２０１８?２０２０??Ｙｅａｒ??图１．５钾离子电池文章每年发表数量［２３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ?ｎｕｍｂｅｒｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｏｌａｓｓｉｕｍ－ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．??
第一章绪论??１．３．２钾离子电池结构工作原理??与锂／钠离子电池相似，钾离子电池也是由正负极、电解液和隔膜组成。如??图１．６所示，以钒酸钾（Ｋ〇．５，Ｖ２０５）正极、石墨负极为例，充电时，１Ｃ从正极脱??出，随后嵌入到石墨负极；正极失去一个电子，负极从外电路得到一个电子。放??电时，１Ｃ从石墨负极脱出，随后嵌入正极，正极得到一个电子，对应反应式如下：??正极反应：Ｋ０．５１Ｖ２Ｏ５?－?ｘＫ?—?Ｋａ５ｉ－ｘＶ２〇５?＋?ｘｅ－??负极反应：８Ｃ?＋?ｘＫ／＋?ｘｅ－—?ＫｘＣ８??总反应：?８Ｃ?＋?Ｋ〇．５ｉＶ２０５?—?Ｋ〇．５１．ｘＶ２０５?＋ＫｘＣ８??＋?？??？??？?＿?：??Ｍ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?Ｃｈａｒｇｅ?Ａ??图１．６钾离子电池示意理＿??Ｆｉｇｕｒｅ?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｔａｓｓｉｕｍ－ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ??１．３．３钾离子电池的优点??钾元素在地壳的储量高，原料价格低；钾的标准电极电势为－２．９３Ｖ，与锂的??电极电势（－３．０４?Ｖ）较为接近，又低于钠的电极电势（－２．７１?Ｖ），也就是说钾离??子电池的工作电压窗口与锂离子电池较为接近，但大于钠离子电池的电压窗口；??同时，钠离子电池不能与商业化的石墨材料形成稳定的化合物，但钾离子电池却??可以使用石墨作为负极材料，形成ＫＣ８石墨层间化合物，有２７９?ｍＡｈ?ｇ－１的理论??容量［３３，３６－４１］。??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent advances in graphene based materials as anode materials in sodium-ion batteries[J]. Kimal Chandula Wasalathilake,Henan Li,Li Xu,Cheng Yan. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
[2]高安全性锂电池电解液研究与应用[J]. 陈晓霞,刘凯,王保国. 储能科学与技术. 2020(02)
[3]锂离子电池:20世纪最重要的发明之一[J]. 黄云辉. 科学通报. 2019(36)
[4]锂离子电池改变世界——2019年诺贝尔化学奖成果简析[J]. 陈立泉. 科技导报. 2019(24)
[5]锂离子电池的发现与发展——兼谈电池材料与固态电化学[J]. 杨勇. 电化学. 2019(05)
[6]无机钠离子电池固体电解质研究进展[J]. 徐来强,李佳阳,刘城,邹国强,侯红帅,纪效波. 物理化学学报. 2020(05)
[7]钾离子电池及其最新研究进展[J]. 刘燕晨,黄斌,邵奕嘉,沈牧原,杜丽,廖世军. 化学进展. 2019(09)
[8]聚噻吩的固相聚合及其应用[J]. 黄妮,许峰,夏江滨. 化学进展. 2019(08)
[9]探索氟代碳酸乙烯酯添加剂对钠离子电池正极的影响[J]. 刘忠范. 物理化学学报. 2019(08)
[10]氟代碳酸乙烯酯添加剂对钠离子电池正极的影响[J]. 程振杰,毛亚云,董庆雨,金锋,沈炎宾,陈立桅. 物理化学学报. 2019(08)
本文编号：2939361
【文章来源】： 曾桂芳 山东大学
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３钠离子电池示意图Ｗ??
山东大学硕士学位论文??学与电化学稳定性较差，导致副反应的产生，从而产生较大的界面阻抗ｍ。目前，??钠离子电池常用的无机固态电解质有ＮＡＳＩＣＯＮ、硫化物和Ｎａ－ｐ／ｐ”－Ａｌ２０３等［３Ｇ－??３ｌ］??〇??１．３钾离子电池??１．３．１钾离子电池的历史??钾离子电池的历史可追溯到２００４年，Ａｌｌ?Ｅｆｔｅｋｈａｒｉ首次提出钾离子电池原??型，正极是普鲁士蓝，负极是金属钾，循环了?５００圈后只损失了?１２％的容量［：＇２－??３３１。２００５年，有专利对ＫＰｆ，作为钾离子电解质进行了报道。２００７年中国Ｓｔａｒｓｗａｙ??Ｅｌｅｃｔｒｏｍｃｓ公司推出以钾离子电池为动力的便携式播放器，但是该公司并没有提??供电池的任何规格参数。后来，由于钾离子电池安全性问题和锂／钠离子电池的??逐渐成熟，钾离子电池研宄停滞了多年，直到２０１５年以来才出现了大量的关于??钾离子电池的文献报道｜２＾３５１。??４００?１???Ｉ??〇?３００?－??Ｈ?Ｉ??Ｅ?ｌｏｏ－?■■■??＼??｜??ｕ?Ｉ?■?Ｉ?画?Ｉ?■面■■面?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?１?Ｉ?■?■?■?Ｉ?■?Ｉ?＿?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?■?■??２００４?２００６?２００８?２０１０?２０１２?２０１４?２０１６?２０１８?２０２０??Ｙｅａｒ??图１．５钾离子电池文章每年发表数量［２３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ?ｎｕｍｂｅｒｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｏｌａｓｓｉｕｍ－ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．??
第一章绪论??１．３．２钾离子电池结构工作原理??与锂／钠离子电池相似，钾离子电池也是由正负极、电解液和隔膜组成。如??图１．６所示，以钒酸钾（Ｋ〇．５，Ｖ２０５）正极、石墨负极为例，充电时，１Ｃ从正极脱??出，随后嵌入到石墨负极；正极失去一个电子，负极从外电路得到一个电子。放??电时，１Ｃ从石墨负极脱出，随后嵌入正极，正极得到一个电子，对应反应式如下：??正极反应：Ｋ０．５１Ｖ２Ｏ５?－?ｘＫ?—?Ｋａ５ｉ－ｘＶ２〇５?＋?ｘｅ－??负极反应：８Ｃ?＋?ｘＫ／＋?ｘｅ－—?ＫｘＣ８??总反应：?８Ｃ?＋?Ｋ〇．５ｉＶ２０５?—?Ｋ〇．５１．ｘＶ２０５?＋ＫｘＣ８??＋?？??？??？?＿?：??Ｍ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?Ｃｈａｒｇｅ?Ａ??图１．６钾离子电池示意理＿??Ｆｉｇｕｒｅ?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｔａｓｓｉｕｍ－ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ??１．３．３钾离子电池的优点??钾元素在地壳的储量高，原料价格低；钾的标准电极电势为－２．９３Ｖ，与锂的??电极电势（－３．０４?Ｖ）较为接近，又低于钠的电极电势（－２．７１?Ｖ），也就是说钾离??子电池的工作电压窗口与锂离子电池较为接近，但大于钠离子电池的电压窗口；??同时，钠离子电池不能与商业化的石墨材料形成稳定的化合物，但钾离子电池却??可以使用石墨作为负极材料，形成ＫＣ８石墨层间化合物，有２７９?ｍＡｈ?ｇ－１的理论??容量［３３，３６－４１］。??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent advances in graphene based materials as anode materials in sodium-ion batteries[J]. Kimal Chandula Wasalathilake,Henan Li,Li Xu,Cheng Yan. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
[2]高安全性锂电池电解液研究与应用[J]. 陈晓霞,刘凯,王保国. 储能科学与技术. 2020(02)
[3]锂离子电池:20世纪最重要的发明之一[J]. 黄云辉. 科学通报. 2019(36)
[4]锂离子电池改变世界——2019年诺贝尔化学奖成果简析[J]. 陈立泉. 科技导报. 2019(24)
[5]锂离子电池的发现与发展——兼谈电池材料与固态电化学[J]. 杨勇. 电化学. 2019(05)
[6]无机钠离子电池固体电解质研究进展[J]. 徐来强,李佳阳,刘城,邹国强,侯红帅,纪效波. 物理化学学报. 2020(05)
[7]钾离子电池及其最新研究进展[J]. 刘燕晨,黄斌,邵奕嘉,沈牧原,杜丽,廖世军. 化学进展. 2019(09)
[8]聚噻吩的固相聚合及其应用[J]. 黄妮,许峰,夏江滨. 化学进展. 2019(08)
[9]探索氟代碳酸乙烯酯添加剂对钠离子电池正极的影响[J]. 刘忠范. 物理化学学报. 2019(08)
[10]氟代碳酸乙烯酯添加剂对钠离子电池正极的影响[J]. 程振杰,毛亚云,董庆雨,金锋,沈炎宾,陈立桅. 物理化学学报. 2019(08)
本文编号：2939361
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