钴基空心结构纳米材料的制备及其钠离子电池负极应用
发布时间：2021-08-01 08:46
如何解决能源问题是人们当下关注的重点问题,电化学二次电池是目前研究最为广泛的储能元件,它具有简单的制备过程与较高的能量转换率。锂电池作为发展成熟的二次电池已经得到了充分研究,但是,随着科技发展与储能要求的提高,锂资源的消耗日益剧烈,并且锂资源的储量十分有限,难以满足未来的商业化需求。所以开发新型电化学二次电池是很有意义的。钠离子电池由于其与锂离子电池相似的物化性质已经被视为下一代储能电池,引起了科研领域的广泛关注。二次电池性能主要取决其电极材料,过渡金属化合物由于其较小的体积膨胀与高比容量受到了研究人员的广泛研究。其中钴基材料由于其优异的导电性和较高的理论容量得到研究人员的重视。然而在研究过程中人们发现钴基材料仍然存在着材料结构不稳定的现象,为了解决这一问题,对钴基材料结构的优化就十分重要了。空心结构相比于其他材料结构具有相对较小的体积变化与较短的反应距离,对于钴基材料性能的优化具有重要意义。与此同时,碳材料的包覆对于钴基材料结构的稳定性和材料的导电性都有较大程度的提高,这同样很好的缓解了材料结构不稳定的问题。在此背景下,本文研究了空心钴基纳米材料的制备及其钠离子电池负极材料应用,本文...
【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】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钠离子电池工作原理示意图[10]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-1.3钠离子电池负极材料研究现状钠离子电池由于储量丰富及与锂电池相似的性质得到了广泛的研究，其中钠离子电池负极材料对钠离子的嵌入与脱出是影响电池容量的重要因素。因此，开发性能优异的钠离子电池负极材料成为了近年来可充电二次电池的热点。钠离子电池的负极材料主要有碳材料、合金材料以及过渡金属化合物。1.3.1碳材料在钠离子电池负极材料研究起步阶段，由于钠离子电池与锂电池拥有相似的反应机理，科研人员更多关注的是已经发展成熟的锂离子电池负极材料-碳材料。然而，由于钠离子半径较大，而石墨材料的层间距较小，这就导致了钠离子不能够大量在石墨材料中插入，这就导致了较低的容量[11,12]。为了提升石墨材料的储钠性能，研究人员通过研究发现扩大石墨的层间距使钠离子嵌入其中可以很好的提升石墨的储钠性能[13-15]。David[16]等人通过控制氧化还原石墨烯的退火温度和气体环境可以有效的改变石墨烯片的有序程度与层间距大校并成功证明了增大层间距可以提高石墨烯储钠能力。Wen[17]课题组通过氧化和部分还原的方法制备膨胀石墨，使其层间距增大至4.3，并且仍保留了与石墨类似的长程有序层状结构。通过STM显示，钠离子可以可逆地插入并从膨胀的石墨中提取出来。恒电流充放电研究表明，电流密度在20mAg-1时，膨胀石墨可提供284mAhg-1的高可逆容量，电流密度在100mAg-1时可保持184mAhg-1的容量，经过两千次循环后可达到73.92%的容量保留率。图1-2石墨材料储钠示意图[17]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-5-与石墨不同，硬碳是一种无定形碳，不具有周期性的晶体结构，其在高温下也很难石墨化，具有较高的比容量和较长的使用寿命，被视为最有潜力的钠离子电池负极碳材料，因此受到了研究人员的广泛关注。在2003年，Dahn[18]报道了葡萄糖炭化得到的硬碳中插入物的情况，并提出了一种叫做纸牌屋的结构模型，钠离子同时插入到石墨烯层和纳米孔之间，这样就提高了反应的可逆性，容量达到了300mAhg-1。图1-3钠离子填充硬碳的“纸牌屋”模型[18]Bommier[19]等人最近重新研究了这个模型，他们改变了涡轮层碳纳米畴的大小，发现了结构缺陷和钠储存之间的相关性。Gotoh[20]等人通过23个核磁共振波谱分析，阐明了钠在硬碳中的嵌入机理。在放电过程中，观察到+9ppm和20–30ppm两个主要峰的存在，如图所示，这分别对应于钠离子在错位的石墨烯薄片之间的插入和在纳米孔的嵌入。Thomas[21]等人报道了降低石墨化的粒度和程度有利于提高硬质碳的电化学性能。并利用电子能量损失谱和选区电子衍射对钝化层进行了进一步的分析，相对于Na+/Na，在0.8V下形成Na2CO3并且在较低电位下进一步还原成烷基碳酸钠。与石墨材料相比，上述大多数碳材料具有更高的可逆比容量。然而，这些纯碳材料仍然存在一些问题。比如较低的初始不可逆容量和库仑效率，这些问题主要是由于不可逆地形成了表面积依赖的钝化固体电解质界面(SEI)层，导致在随后的循环中需要一个预锂化步骤或使用额外的阴极材料来平衡电荷转移。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ferroelectric Properties and Applications of Hybrid Organic-Inorganic Perovskites[J]. Xin Tong,Zhiming M.Wang. Journal of Electronic Science and Technology. 2017(04)
[2]Preparation and photocatalytic activities of 3D flower-like CuO nanostructures[J]. 范庆飞,兰琪,张美丽,范希梅,周祚万,张朝良. Journal of Semiconductors. 2016(08)
本文编号：3315200
【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】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钠离子电池工作原理示意图[10]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-1.3钠离子电池负极材料研究现状钠离子电池由于储量丰富及与锂电池相似的性质得到了广泛的研究，其中钠离子电池负极材料对钠离子的嵌入与脱出是影响电池容量的重要因素。因此，开发性能优异的钠离子电池负极材料成为了近年来可充电二次电池的热点。钠离子电池的负极材料主要有碳材料、合金材料以及过渡金属化合物。1.3.1碳材料在钠离子电池负极材料研究起步阶段，由于钠离子电池与锂电池拥有相似的反应机理，科研人员更多关注的是已经发展成熟的锂离子电池负极材料-碳材料。然而，由于钠离子半径较大，而石墨材料的层间距较小，这就导致了钠离子不能够大量在石墨材料中插入，这就导致了较低的容量[11,12]。为了提升石墨材料的储钠性能，研究人员通过研究发现扩大石墨的层间距使钠离子嵌入其中可以很好的提升石墨的储钠性能[13-15]。David[16]等人通过控制氧化还原石墨烯的退火温度和气体环境可以有效的改变石墨烯片的有序程度与层间距大校并成功证明了增大层间距可以提高石墨烯储钠能力。Wen[17]课题组通过氧化和部分还原的方法制备膨胀石墨，使其层间距增大至4.3，并且仍保留了与石墨类似的长程有序层状结构。通过STM显示，钠离子可以可逆地插入并从膨胀的石墨中提取出来。恒电流充放电研究表明，电流密度在20mAg-1时，膨胀石墨可提供284mAhg-1的高可逆容量，电流密度在100mAg-1时可保持184mAhg-1的容量，经过两千次循环后可达到73.92%的容量保留率。图1-2石墨材料储钠示意图[17]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-5-与石墨不同，硬碳是一种无定形碳，不具有周期性的晶体结构，其在高温下也很难石墨化，具有较高的比容量和较长的使用寿命，被视为最有潜力的钠离子电池负极碳材料，因此受到了研究人员的广泛关注。在2003年，Dahn[18]报道了葡萄糖炭化得到的硬碳中插入物的情况，并提出了一种叫做纸牌屋的结构模型，钠离子同时插入到石墨烯层和纳米孔之间，这样就提高了反应的可逆性，容量达到了300mAhg-1。图1-3钠离子填充硬碳的“纸牌屋”模型[18]Bommier[19]等人最近重新研究了这个模型，他们改变了涡轮层碳纳米畴的大小，发现了结构缺陷和钠储存之间的相关性。Gotoh[20]等人通过23个核磁共振波谱分析，阐明了钠在硬碳中的嵌入机理。在放电过程中，观察到+9ppm和20–30ppm两个主要峰的存在，如图所示，这分别对应于钠离子在错位的石墨烯薄片之间的插入和在纳米孔的嵌入。Thomas[21]等人报道了降低石墨化的粒度和程度有利于提高硬质碳的电化学性能。并利用电子能量损失谱和选区电子衍射对钝化层进行了进一步的分析，相对于Na+/Na，在0.8V下形成Na2CO3并且在较低电位下进一步还原成烷基碳酸钠。与石墨材料相比，上述大多数碳材料具有更高的可逆比容量。然而，这些纯碳材料仍然存在一些问题。比如较低的初始不可逆容量和库仑效率，这些问题主要是由于不可逆地形成了表面积依赖的钝化固体电解质界面(SEI)层，导致在随后的循环中需要一个预锂化步骤或使用额外的阴极材料来平衡电荷转移。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ferroelectric Properties and Applications of Hybrid Organic-Inorganic Perovskites[J]. Xin Tong,Zhiming M.Wang. Journal of Electronic Science and Technology. 2017(04)
[2]Preparation and photocatalytic activities of 3D flower-like CuO nanostructures[J]. 范庆飞,兰琪,张美丽,范希梅,周祚万,张朝良. Journal of Semiconductors. 2016(08)
本文编号：3315200
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