高性能普鲁士蓝类钠离子电池正极材料制备及电化学性能研究
发布时间：2021-10-09 01:40
当前,发展可再生能源、推动电网智能化已成为能源领域的重要方向,作为平衡能源供给和消费的关键环节,电化学储能技术受到了广泛关注。钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理,显著的资源和成本优势促使其有望在规模储能领域实现广泛应用。开发高性能正极材料对于钠离子电池的发展与应用至关重要。作为一类三维开框架结构材料,普鲁士蓝类似物可以实现钠离子可逆脱嵌,具有较高的理论比容量和工作电位。同时,资源丰富、合成简便和环境友好等优势使得其在钠离子电池中具有很好的应用前景。本文围绕普鲁士蓝类似物中极具应用前景的Na2MnFe（CN）6（MnHCF）和Na2FeFe（CN）6（FeHCF）两类材料展开了研究,通过PEDOT导电聚合物包覆提升了MnHCF的循环和倍率特性,结合合成温度和反应液成分调控实现了富钠FeHCF的制备。主要工作总结如下:（1）MnHCF具有组成元素资源丰富、工作电位高、富钠结构易得等显著优势。然而,其差的电子导电性导致了严重的电化学极化问题,同时在电化学循环过程中存在相变和过渡金属溶出等问题,造成电...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钠离子电池工作原理示意图[15]
各种纳米结构的设计上，如Huang等[35]以大量的生物质蔗糖为原料合成均匀分散的硬碳球，实现6Ag-1电流密度下比容量达到270mAhg-1，与P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2正极组成的全电池具有3.5V输出电压和200Whkg-1的能量密度。Liu等[36]通过聚苯胺裂解制备了纳米硬碳颗粒，由于石墨层间距仅0.366nm且硬碳颗粒为纳米尺寸，从而极大地降低了钠离子嵌入阻力，表现出优良的倍率性能。然而，大部分硬碳材料都存在初始库伦效率低、钠离子脱嵌动力学差的问题，还需采用轻质杂原子(如B、N、P、S等)掺杂等方法对其加以改性。图1.2硬碳中钠离子储存机制示意图:(a)插层-吸附;(b)吸附-插层[34]Fig.1.2SchematicillustrationofthemechanismsforNa-ionstorageinhardcarbon:(a)intercalation–adsorption.(b)adsorption–intercalation[34].1.3.2.2合金类负极材料钠能够与多种金属和非金属元素形成合金，如P、Sn、Sb、Ge、Pb和Bi等，对应的理论比容量分别为2596(Na3P)、847(Na15Sn4)、660(Na3Sb)、369(NaGe)、484(Na15Pb4)、385(Na3Bi)mAhg-1[37-39]。然而这类材料在合金/去合金过程中存在扩散动力学缓慢，生成不稳定固体电解质中间相(SEI)和体积变化大等问题，从而限制了它们的实际应用[40-42]。为了提升合金类负极材料的循环寿命和动力学性能，通常对其进行结构和形貌设计。Cui等[43]合成了一种由几个磷烯层夹在石墨烯层间的杂化材料，磷烯层降低钠离子的扩散距离，石墨烯层作为电子传导途径，在50mAg-1下得到2440mAhg-1的可逆容量，甚至在26Ag-1下，仍能保持645mAhg-1。对于Sn负极，直到目前，合金化过程依然没有得到统一的认识，通过密度泛函理论计算，Chevrier等[44]认为Na和Sn的合金化过程经过了Sn–NaSn5–NaSn
第一章绪论9研究了热处理温度对Na0.44MnO2电化学性能的影响，900℃热处理得到的Na0.44MnO2纳米线具有更长的长度和更小的宽度，在20C下比容量达到99mAhg-1。一些研究人员还试图通过形貌调控来提高Na0.44MnO2的倍率性能和体积能量密度，如Li等[69]在酸性还原环境中合成了晶体沿[001]方向生长受限的二维Na0.44MnO2纳米板，这种结构可以提供较短的传输路径以及相应的结构稳定性，并且具有较高的振实密度。图1.3电化学反应过程中Na0.44MnO2脱嵌Na+示意图[65]Fig.1.3SchematicillustrationofthephasetransformationoftheNa0.44MnO2uponelectrodereaction[65].总的来说，隧道型氧化物具有稳定的结构，而且在钠离子脱出/嵌入过程中不会存在明显的结构破坏。然而这类材料初始钠含量低、比容量较低，如果想要大规模实际应用，在保持结构稳定性的前提下提升其初始钠含量显得尤为重要。图1.4不同结构层状氧化物示意图[70]Fig.1.4SchematicillustrationofNa-Me-Olayeredmaterialswithdifferentstructures[70].
本文编号：3425381
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钠离子电池工作原理示意图[15]
各种纳米结构的设计上，如Huang等[35]以大量的生物质蔗糖为原料合成均匀分散的硬碳球，实现6Ag-1电流密度下比容量达到270mAhg-1，与P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2正极组成的全电池具有3.5V输出电压和200Whkg-1的能量密度。Liu等[36]通过聚苯胺裂解制备了纳米硬碳颗粒，由于石墨层间距仅0.366nm且硬碳颗粒为纳米尺寸，从而极大地降低了钠离子嵌入阻力，表现出优良的倍率性能。然而，大部分硬碳材料都存在初始库伦效率低、钠离子脱嵌动力学差的问题，还需采用轻质杂原子(如B、N、P、S等)掺杂等方法对其加以改性。图1.2硬碳中钠离子储存机制示意图:(a)插层-吸附;(b)吸附-插层[34]Fig.1.2SchematicillustrationofthemechanismsforNa-ionstorageinhardcarbon:(a)intercalation–adsorption.(b)adsorption–intercalation[34].1.3.2.2合金类负极材料钠能够与多种金属和非金属元素形成合金，如P、Sn、Sb、Ge、Pb和Bi等，对应的理论比容量分别为2596(Na3P)、847(Na15Sn4)、660(Na3Sb)、369(NaGe)、484(Na15Pb4)、385(Na3Bi)mAhg-1[37-39]。然而这类材料在合金/去合金过程中存在扩散动力学缓慢，生成不稳定固体电解质中间相(SEI)和体积变化大等问题，从而限制了它们的实际应用[40-42]。为了提升合金类负极材料的循环寿命和动力学性能，通常对其进行结构和形貌设计。Cui等[43]合成了一种由几个磷烯层夹在石墨烯层间的杂化材料，磷烯层降低钠离子的扩散距离，石墨烯层作为电子传导途径，在50mAg-1下得到2440mAhg-1的可逆容量，甚至在26Ag-1下，仍能保持645mAhg-1。对于Sn负极，直到目前，合金化过程依然没有得到统一的认识，通过密度泛函理论计算，Chevrier等[44]认为Na和Sn的合金化过程经过了Sn–NaSn5–NaSn
第一章绪论9研究了热处理温度对Na0.44MnO2电化学性能的影响，900℃热处理得到的Na0.44MnO2纳米线具有更长的长度和更小的宽度，在20C下比容量达到99mAhg-1。一些研究人员还试图通过形貌调控来提高Na0.44MnO2的倍率性能和体积能量密度，如Li等[69]在酸性还原环境中合成了晶体沿[001]方向生长受限的二维Na0.44MnO2纳米板，这种结构可以提供较短的传输路径以及相应的结构稳定性，并且具有较高的振实密度。图1.3电化学反应过程中Na0.44MnO2脱嵌Na+示意图[65]Fig.1.3SchematicillustrationofthephasetransformationoftheNa0.44MnO2uponelectrodereaction[65].总的来说，隧道型氧化物具有稳定的结构，而且在钠离子脱出/嵌入过程中不会存在明显的结构破坏。然而这类材料初始钠含量低、比容量较低，如果想要大规模实际应用，在保持结构稳定性的前提下提升其初始钠含量显得尤为重要。图1.4不同结构层状氧化物示意图[70]Fig.1.4SchematicillustrationofNa-Me-Olayeredmaterialswithdifferentstructures[70].
本文编号：3425381
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