钴纳米粒子和二氧化钒纳米花复合材料的制备及其在室温钠硫电池中催化性能研究
发布时间：2020-12-31 05:45
目前移动设备、交通工具和可再生能源技术都离不开低成本、长寿命、高安全性、高容量、高功率和环境友好的储能电池。室温钠硫（RT Na-S）电池因其具有超高的理论容量(1675 mAh g-1)和比能量(1273 Wh kg-1),已成为最具吸引力的能源电池之一。然而,RT Na-S电池的研究还处于起步阶段,低的可逆容量和快速的容量衰减是阻碍其发展进程的两大主要问题。一方面是因为单质硫（S）及其放电产物（Na2S）的绝缘性,使得电池反应动力学缓慢,活性物质利用率低;另一方面是长链多硫化物在电解液中易溶解,引起活性物质损失,造成充放电过程中容量的快速衰减。因此,合理设计正极材料以提高硫的导电性和反应活性,对多硫化物进行有效约束和催化转化,是目前改善RT Na-S电池电化学性能可行的策略。基于此,本论文设计合成了三种具有催化作用的多功能硫正极材料,在RT Na-S电池中均表现出良好的电化学性能。这三种复合材料,利用了碳基底具有良好导电性的特点,改善了硫正极整体的导电性,并且修饰了具有催化作用的金属纳米粒子/氧化物,提高电池反应动力...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）基于美国能源部和中国科学院重点研究项目的电池技术进展，（b）非锂金属硫电池
西南大学硕士学位论文2图1.1（a）基于美国能源部和中国科学院重点研究项目的电池技术进展，（b）非锂金属硫电池发展图[11]。Figure1.1(a)ProgressofbatterytechnologiesbasedonDOEandSPRPprojects,(b)Schematicillustrationofthedevelopmentofnon-Limetal-sulfurbatteries[11].1.2钠硫（Na-S）电池概述1.2.1钠硫电池电极硫：单质硫含有多种同素异形体和多种分子结构，其中最稳定的是常温常压下的正交α-S晶体。α-S晶体是由正交晶体晶胞中的S8环组成。它是一种无味，非金属的淡黄色固体，是化工业中最重要的原料之一，在橡胶制造、化妆品和制药等多种工业过程中作为衍生物使用[18]。目前全球硫磺产业的增长利率约为2.5%，并且在2018年达到了7500万吨。在价格方面，以$kAh-1为单位，锌是3.66，石墨烯高达32.27，硫仅为0.15，因此硫有望成为一种新型的可持续的能源存储材料。图1.2电极材料Na和S的价格明细及和Li价格对比[20]。Figure1.2Pricebreakdownofrawmaterialsofthebatteryandcomparisonwithlithium[20].
第1章绪论3钠：是一种质量轻的，有金属光泽且廉价的金属[19]，它是地壳中第六丰富的金属元素，海洋中第四丰富的金属元素。更准确的说，钠在地壳中的含量是28400mgkg-1，在水中的含量是1000mgL-1，同时以多种矿物质形式存在，例如熔盐和钠盐。钠广泛分布于世界各个国家，比如智利、中国、澳大利亚和阿根廷，这些国家拥有99%的钠资源。相比于金属锂，钠的优势首先在价格方面，目前金属钠的价格是2100美元一吨，相比于25000美元一吨锂的来说是具有明显的成本优势（图1.2）。其次作为电极材料，相比于标准氢电极（SHE）钠的氧化还原电位是2.71V。当它作为负极和适当的正极材料耦合时，它能产生大于2.5V的电压，并且Na的相对原子质量（23gmol-1）和理论容量密度（1.16Ahg-1）可以实现高电位。硫的理论容量是1.67Ahg-1，相比于标准氢电极表观电位是-0.407V（S+2e-S2-）。总之，钠高的输出电压和硫的高理论容量结合，在电化学储能系统中有望获得高比能量[20]。图1.3(a)Na2S-S在高温、中高温和室温下的相图（HT、IT和RT），（b）高温（HT）和中温（IT）Na-S电池示意图,（c）室温（RT）Na-S示意图[24]。Figure1.3(a)PhasediagramofNa2S-Sforhigh,intermediate,androomtemperatures(HT,IT,andRT),(b)SchematicrepresentationandoperationoftubularHTNa-SandITNa-Sbatteries,(c)operatingprincipleofRTNa-Sbatteriesduringthedischargeprocess[24].1.2.2钠硫电池分类从Na2S-S相图（图1.3a）中看出，在不同的温度范围内，可以获得不同类型的多硫化钠（NaPSs）。因此，如图1.3所示钠硫电池的类型可以根据操作温度的
本文编号：2949081
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）基于美国能源部和中国科学院重点研究项目的电池技术进展，（b）非锂金属硫电池
西南大学硕士学位论文2图1.1（a）基于美国能源部和中国科学院重点研究项目的电池技术进展，（b）非锂金属硫电池发展图[11]。Figure1.1(a)ProgressofbatterytechnologiesbasedonDOEandSPRPprojects,(b)Schematicillustrationofthedevelopmentofnon-Limetal-sulfurbatteries[11].1.2钠硫（Na-S）电池概述1.2.1钠硫电池电极硫：单质硫含有多种同素异形体和多种分子结构，其中最稳定的是常温常压下的正交α-S晶体。α-S晶体是由正交晶体晶胞中的S8环组成。它是一种无味，非金属的淡黄色固体，是化工业中最重要的原料之一，在橡胶制造、化妆品和制药等多种工业过程中作为衍生物使用[18]。目前全球硫磺产业的增长利率约为2.5%，并且在2018年达到了7500万吨。在价格方面，以$kAh-1为单位，锌是3.66，石墨烯高达32.27，硫仅为0.15，因此硫有望成为一种新型的可持续的能源存储材料。图1.2电极材料Na和S的价格明细及和Li价格对比[20]。Figure1.2Pricebreakdownofrawmaterialsofthebatteryandcomparisonwithlithium[20].
第1章绪论3钠：是一种质量轻的，有金属光泽且廉价的金属[19]，它是地壳中第六丰富的金属元素，海洋中第四丰富的金属元素。更准确的说，钠在地壳中的含量是28400mgkg-1，在水中的含量是1000mgL-1，同时以多种矿物质形式存在，例如熔盐和钠盐。钠广泛分布于世界各个国家，比如智利、中国、澳大利亚和阿根廷，这些国家拥有99%的钠资源。相比于金属锂，钠的优势首先在价格方面，目前金属钠的价格是2100美元一吨，相比于25000美元一吨锂的来说是具有明显的成本优势（图1.2）。其次作为电极材料，相比于标准氢电极（SHE）钠的氧化还原电位是2.71V。当它作为负极和适当的正极材料耦合时，它能产生大于2.5V的电压，并且Na的相对原子质量（23gmol-1）和理论容量密度（1.16Ahg-1）可以实现高电位。硫的理论容量是1.67Ahg-1，相比于标准氢电极表观电位是-0.407V（S+2e-S2-）。总之，钠高的输出电压和硫的高理论容量结合，在电化学储能系统中有望获得高比能量[20]。图1.3(a)Na2S-S在高温、中高温和室温下的相图（HT、IT和RT），（b）高温（HT）和中温（IT）Na-S电池示意图,（c）室温（RT）Na-S示意图[24]。Figure1.3(a)PhasediagramofNa2S-Sforhigh,intermediate,androomtemperatures(HT,IT,andRT),(b)SchematicrepresentationandoperationoftubularHTNa-SandITNa-Sbatteries,(c)operatingprincipleofRTNa-Sbatteriesduringthedischargeprocess[24].1.2.2钠硫电池分类从Na2S-S相图（图1.3a）中看出，在不同的温度范围内，可以获得不同类型的多硫化钠（NaPSs）。因此，如图1.3所示钠硫电池的类型可以根据操作温度的
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