CoSe 2 /碳纳米纤维复合材料的设计、制备及其储钠性能
发布时间：2021-03-09 17:44
钠离子电池较其他电池体系具有资源丰富、价格低廉、环境友好等优势,在大规模能源储存领域被视为是具有相当潜力的二次电池体系。推动钠离子电池进一步发展的关键在于开发高性能的电极材料。本论文对用于钠离子电池负极材料的CoSe2/碳纳米纤维（CoSe2@CNFs）复合材料开展了研究。主要研究内容和所获得的结果如下:（1）采用静电纺丝法并结合热处理碳化工艺,制备了CoSe2@CNFs的前驱体Co@CNFs复合材料,研究了热处理工艺对Co@CNFs形貌及结构影响。通过调控热处理工艺参数,优化了Co纳米颗粒的尺寸。实验发现,Co纳米颗粒随机镶嵌在碳纳米纤维基质内,当碳化时间为1 h时,Co1@CNFs复合材料中的Co纳米颗粒尺寸在5-20 nm,材料呈现有最佳力学特性的柔性三维网络结构。实验还发现,静电纺丝源物质中的氮元素驻留在所形成的碳纳米纤维中,实现了碳纤维制备过程中的原位氮掺杂。（2）将前驱体材料Co1@CNFs和硒粉混合烧结制备了CoSe2@CNFs复合材料,研究...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大功率钠离子电池在储能系统中的应用示意图[4]
兰州大学硕士学位论文CoSe2/碳纳米纤维复合材料的设计、制备及其储钠性能2此，在大规模储能系统应用中，钠离子电池被认为是锂离子电池最具潜力的替代对象（图1-1），不仅成本低，还具有功率密度高、全气候适应性和电池可回收性强的优势[4]，而且，能够满足能源存储技术结构创新的需求。1.1钠离子电池1.1.1工作原理早在二十世纪70年代后期，钠离子电池和锂离子电池几乎同时引起了科研工作者的注意[5,6]。然而，锂离子电池的快速商业化转移了人们对钠离子电池的注意力[7]。直到2000年，Stevens和Dahn[8]发现了Na+可以通过电化学反应嵌入到硬碳中，这成为钠离子电池复兴的重要转折点，钠离子电池再次受到科研工作者的关注。如图1-2所示，原理上钠离子电池和锂离子电池是相似的，充放电过程中，钠盐电解液可充分浸润电池电极，Na+借助电解液在电池的正负极之间运动。充电时，Na+从高压正极脱出，通过电解液迁移扩散并嵌入低压负极。一般而言，正极工作电压（相对Na/Na+）约为3.0V或者更高，理想的负极工作电压（相对Na/Na+）低于1.0V。从热力学角度上讲，充电时电子通过外电路从正极到负极为“上坡”过程，放电时氧化还原对的最低自由能使“下坡”过程发生，电子从负极释放并通过外电路传输，从而为负载提供电能[9]。图1-2钠离子电池工作原理示意图[10]。
兰州大学硕士学位论文CoSe2/碳纳米纤维复合材料的设计、制备及其储钠性能4设计并制备纳米复合材料是获得高性能钠离子电池的有效策略。1.2钠离子电池负极研究现状图1-3锂离子电池材料的不同反应机理[21]。与锂金属比较，钠金属稳定性更差，与大多数电解质可形成不稳定的钝化层，不可直接用于电池负极。因此，迫切需要寻找电压窗口合适、可逆性好和结构稳定的钠离子电池负极材料[22]。钠离子电池负极存储机理与锂离子电池相似，所以，很多用于锂离子电池的负极材料被直接用于钠离子电池。与电荷插入到锂离子电池负极材料中的情况相似，将Na+嵌入负极材料的过程分为插层反应、合金化反应和转化反应。图1-3给出了清晰的说明，示意了这三种电荷嵌入机制及其相应的结构变化。根据上述电荷嵌入机理，我们可将钠离子电池负极材料分为五类：（1）基于插层反应的碳材料；（2）基于插层反应的钛基化合物；（3）基于合金化反应的负极材料；（4）基于转换反应的负极材料；（5）有机化合物。如图1-4所示，迄今已开发出基于这些材料的许多纳米复合材料作为钠离子电池的负极材料[21]。1.2.1插层反应负极材料基于插层反应的负极材料主要包括碳材料和钛基化合物。迄今为止，许多碳材料，例如硬碳、非晶碳、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯等被证实具有钠存储活性[23]，证明了碳材料作为负极材料在热力学上是可行的[24-27]。Na+插入碳材料的孔隙或者层间时，通过氧化还原反应与碳材料发生作用[28]，Na+是以NaxC6（0.05<x<0.5）形式存在[20]。具体来讲，Na+插入石墨基负极形成NaC70，插入焦炭、乙炔黑负极分别形成NaC30和NaC15。
本文编号：3073217
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大功率钠离子电池在储能系统中的应用示意图[4]
兰州大学硕士学位论文CoSe2/碳纳米纤维复合材料的设计、制备及其储钠性能2此，在大规模储能系统应用中，钠离子电池被认为是锂离子电池最具潜力的替代对象（图1-1），不仅成本低，还具有功率密度高、全气候适应性和电池可回收性强的优势[4]，而且，能够满足能源存储技术结构创新的需求。1.1钠离子电池1.1.1工作原理早在二十世纪70年代后期，钠离子电池和锂离子电池几乎同时引起了科研工作者的注意[5,6]。然而，锂离子电池的快速商业化转移了人们对钠离子电池的注意力[7]。直到2000年，Stevens和Dahn[8]发现了Na+可以通过电化学反应嵌入到硬碳中，这成为钠离子电池复兴的重要转折点，钠离子电池再次受到科研工作者的关注。如图1-2所示，原理上钠离子电池和锂离子电池是相似的，充放电过程中，钠盐电解液可充分浸润电池电极，Na+借助电解液在电池的正负极之间运动。充电时，Na+从高压正极脱出，通过电解液迁移扩散并嵌入低压负极。一般而言，正极工作电压（相对Na/Na+）约为3.0V或者更高，理想的负极工作电压（相对Na/Na+）低于1.0V。从热力学角度上讲，充电时电子通过外电路从正极到负极为“上坡”过程，放电时氧化还原对的最低自由能使“下坡”过程发生，电子从负极释放并通过外电路传输，从而为负载提供电能[9]。图1-2钠离子电池工作原理示意图[10]。
兰州大学硕士学位论文CoSe2/碳纳米纤维复合材料的设计、制备及其储钠性能4设计并制备纳米复合材料是获得高性能钠离子电池的有效策略。1.2钠离子电池负极研究现状图1-3锂离子电池材料的不同反应机理[21]。与锂金属比较，钠金属稳定性更差，与大多数电解质可形成不稳定的钝化层，不可直接用于电池负极。因此，迫切需要寻找电压窗口合适、可逆性好和结构稳定的钠离子电池负极材料[22]。钠离子电池负极存储机理与锂离子电池相似，所以，很多用于锂离子电池的负极材料被直接用于钠离子电池。与电荷插入到锂离子电池负极材料中的情况相似，将Na+嵌入负极材料的过程分为插层反应、合金化反应和转化反应。图1-3给出了清晰的说明，示意了这三种电荷嵌入机制及其相应的结构变化。根据上述电荷嵌入机理，我们可将钠离子电池负极材料分为五类：（1）基于插层反应的碳材料；（2）基于插层反应的钛基化合物；（3）基于合金化反应的负极材料；（4）基于转换反应的负极材料；（5）有机化合物。如图1-4所示，迄今已开发出基于这些材料的许多纳米复合材料作为钠离子电池的负极材料[21]。1.2.1插层反应负极材料基于插层反应的负极材料主要包括碳材料和钛基化合物。迄今为止，许多碳材料，例如硬碳、非晶碳、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯等被证实具有钠存储活性[23]，证明了碳材料作为负极材料在热力学上是可行的[24-27]。Na+插入碳材料的孔隙或者层间时，通过氧化还原反应与碳材料发生作用[28]，Na+是以NaxC6（0.05<x<0.5）形式存在[20]。具体来讲，Na+插入石墨基负极形成NaC70，插入焦炭、乙炔黑负极分别形成NaC30和NaC15。
本文编号：3073217
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