生物糖类碳基钠离子电池负极材料的结构调控与储钠机理研究
发布时间：2022-02-13 09:04
锂离子电池的发展改善了人们的生活条件。然而,由于锂资源的消耗以及锂离子电池自身的安全问题限制了其在大规模储能中的应用。人们也将研发重点转移到以钠离子电池为主的体系上。目前钠离子电池研究的关键在于高性能负极材料的开发。目前报道的负极材料有多种不同的能量存储机制,其中最为引人瞩目的当属以碳基材料为主的负极材料（纯碳材料及碳基复合材料）。对于纯碳材料而言,其本身具有良好的电导率及循环稳定性,通过一系列的结构调控可以进一步提高储钠性能。然而,如何构建碳材料本征微观结构与储钠机理之间的联系仍需要进一步的探索。对于碳所衍生的复合材料而言,以过渡金属硫化物为例,通过与碳的均匀复合,在发挥高容量的同时也保证了稳定性,但在目前的研究中仍然涉及到成本高、复合困难以及硫源污染等问题。为此,在本论文中,我们以生物糖类衍生的碳基材料为基础,通过一系列的结构调控与分析表征来探究提高碳基材料储钠性能的有效手段,主要进行了以下的研究:（1）选用较为常规的生物糖类葡萄糖作为碳源,利用模板辅助的方法制备了富含本征缺陷的碳材料,通过表征其微观结构和储钠性能,发现碳材料中的固有本征缺陷可以作为钠离子吸附的活性位点。所制备的碳...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Na离子电池系统的示意图[9]
青岛大学硕士学位论文4SIBs的工作原理与LIBs类似（图1.2），是钠离子通过在正极与负极之间的脱嵌来实现充放电的过程。在充电中，钠离子从正极（阴极）中脱出，经过电解质移动到负极（阳极），电子补偿电荷通过外部电路从正极传输到负极，从而形成闭合电路。放电时的过程则相反。一般而言，钠离子在正负极间的脱嵌过程并不影响电极的基本结构。最近的相关理论计算也表明了钠离子的活化能和迁移势垒在许多电极研究材料中是有利的，这也进一步证实了SIBs的研究及应用的可行性。图1.2钠离子电池的工作原理示意图[9]Figure1.2Schematicdiagramoftheworkingprincipleofsodiumionbattery[9]1.2钠离子电池负极材料目前SIBs体系研究的主要关键在于高性能电极材料的开发。其中，对于正极材料的研究报道如钴锰氧化物、磷酸盐、NASICON结构化合物等已经取得了较大的进展，许多正极材料的性能已经可以媲美于商用LIBs的水平。因此，当前的研究瓶颈主要集中在先进负极材料的开发设计上[10]。针对目前报道的SIBs负极材料有多种不同的能量存储机制。根据材料的结构变化，放电产物以及发生的电化学行为可以将这些材料分为三类：插层反应材料，合金化反应材料和转化反应材料。具有不同电荷存储机制的化合物可以通过先进的结构设计用作高性能的SIBs负极。在本节中将对不同电荷存储机制典型的负极材料进行介绍[10]。
青岛大学硕士学位论文10活性位点（图1.3c）。这导致在700圈循环下以0.5A·g-1的较高电流密度下发挥出稳定的约为300mAh·g-1的高容量[40]。除了单一杂原子的掺杂之外，杂原子的共掺杂对于改善碳基材料的电化学性能可能具有更好的效果。目前已有关于N和S以及N和P共掺杂的碳用于SIBs的报道[41]。图1.3（a）从间苯二酚甲醛获得的碳微球的SEM图像[35]（b）空心微球和实心微球中钠离子存储过程比较示意图[36]（c）钠离子在石墨，N掺杂碳和S掺杂碳中的存储示意图及硫掺杂硬碳材料的电化学储钠性能[40]Figure1.3(a)SEMimageofcarbonmicrospheresobtainedfromRF[35].(b)Schematicrepresentationofthecomparisonofsodiumionaccessibilityinhollowspheresandspheres[36].(c)Schematicdiagramofstorageofsodiumionsingraphite,N-dopedcarbonandS-dopedcarbon,andelectrochemicalsodiumstorageperformanceofsulfur-dopedhardcarbonmaterials[40].1.3.3碳基材料的储钠机理碳的储钠行为具有两种特点，即在高电势区呈现斜坡状态和低电势区区的明显平台。目前人们对于碳材料的钠储存机理有不同的看法。1.嵌入-吸附机理2000年，Dahn等人提出了这种机制，他们发现热解硬碳在锂，钠系统的充放电行为非常相似。他们提出了“纸牌屋”模型来解释这种现象：硬碳由随机堆积的微
【参考文献】：
期刊论文
[1]Hard carbon derived from cellulose as anode for sodium ion batteries:Dependence of electrochemical properties on structure[J]. V.Simone,A.Boulineau,A.de Geyer,D.Rouchon,L.Simonin,S.Martinet. Journal of Energy Chemistry. 2016(05)
本文编号：3622906
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Na离子电池系统的示意图[9]
青岛大学硕士学位论文4SIBs的工作原理与LIBs类似（图1.2），是钠离子通过在正极与负极之间的脱嵌来实现充放电的过程。在充电中，钠离子从正极（阴极）中脱出，经过电解质移动到负极（阳极），电子补偿电荷通过外部电路从正极传输到负极，从而形成闭合电路。放电时的过程则相反。一般而言，钠离子在正负极间的脱嵌过程并不影响电极的基本结构。最近的相关理论计算也表明了钠离子的活化能和迁移势垒在许多电极研究材料中是有利的，这也进一步证实了SIBs的研究及应用的可行性。图1.2钠离子电池的工作原理示意图[9]Figure1.2Schematicdiagramoftheworkingprincipleofsodiumionbattery[9]1.2钠离子电池负极材料目前SIBs体系研究的主要关键在于高性能电极材料的开发。其中，对于正极材料的研究报道如钴锰氧化物、磷酸盐、NASICON结构化合物等已经取得了较大的进展，许多正极材料的性能已经可以媲美于商用LIBs的水平。因此，当前的研究瓶颈主要集中在先进负极材料的开发设计上[10]。针对目前报道的SIBs负极材料有多种不同的能量存储机制。根据材料的结构变化，放电产物以及发生的电化学行为可以将这些材料分为三类：插层反应材料，合金化反应材料和转化反应材料。具有不同电荷存储机制的化合物可以通过先进的结构设计用作高性能的SIBs负极。在本节中将对不同电荷存储机制典型的负极材料进行介绍[10]。
青岛大学硕士学位论文10活性位点（图1.3c）。这导致在700圈循环下以0.5A·g-1的较高电流密度下发挥出稳定的约为300mAh·g-1的高容量[40]。除了单一杂原子的掺杂之外，杂原子的共掺杂对于改善碳基材料的电化学性能可能具有更好的效果。目前已有关于N和S以及N和P共掺杂的碳用于SIBs的报道[41]。图1.3（a）从间苯二酚甲醛获得的碳微球的SEM图像[35]（b）空心微球和实心微球中钠离子存储过程比较示意图[36]（c）钠离子在石墨，N掺杂碳和S掺杂碳中的存储示意图及硫掺杂硬碳材料的电化学储钠性能[40]Figure1.3(a)SEMimageofcarbonmicrospheresobtainedfromRF[35].(b)Schematicrepresentationofthecomparisonofsodiumionaccessibilityinhollowspheresandspheres[36].(c)Schematicdiagramofstorageofsodiumionsingraphite,N-dopedcarbonandS-dopedcarbon,andelectrochemicalsodiumstorageperformanceofsulfur-dopedhardcarbonmaterials[40].1.3.3碳基材料的储钠机理碳的储钠行为具有两种特点，即在高电势区呈现斜坡状态和低电势区区的明显平台。目前人们对于碳材料的钠储存机理有不同的看法。1.嵌入-吸附机理2000年，Dahn等人提出了这种机制，他们发现热解硬碳在锂，钠系统的充放电行为非常相似。他们提出了“纸牌屋”模型来解释这种现象：硬碳由随机堆积的微
【参考文献】：
期刊论文
[1]Hard carbon derived from cellulose as anode for sodium ion batteries:Dependence of electrochemical properties on structure[J]. V.Simone,A.Boulineau,A.de Geyer,D.Rouchon,L.Simonin,S.Martinet. Journal of Energy Chemistry. 2016(05)
本文编号：3622906
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