硬碳材料合成及其在钠离子电池负极中的应用研究

发布时间：2017-12-10 00:25

  本文关键词：硬碳材料合成及其在钠离子电池负极中的应用研究

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【摘要】：当今人类社会面临能源危机、环境污染等问题,太阳能、风能等清洁能源太过依赖于自然条件,具有不稳定的特点,其实际应用则需要一个安全可靠的能量存储系统。电化学储能在清洁能源的储存和利用上起到了很重要的作用,其中钠离子电池是最有希望应用于电化学规模储能的技术之一,而电极材料的研究是钠离子电池研究的关键。钠离子电池负极材料的主要研究方向之一是硬碳材料,为了寻求高比能量的硬碳负极材料,本文分别以生物质柚子皮和交联网络状聚吡咯为前驱体,系统研究了磷酸活化、材料比表面积和粘结剂等因素对硬碳材料储钠性能的影响。主要研究内容与结果如下:首先,本文以生物质柚子皮为前驱体,通过活化和热解的方法制备硬碳材料。磷酸活化不仅可以在硬碳材料上制造出丰富的孔结构,还能够在硬碳材料表面引入大量的官能团。结果表明,700oC热解磷酸活化的柚子皮成功得到了高比容量的硬碳材料。在200 mA g-1的电流密度下,循环220圈之后,容量仍然保持在了181 mAh g-1的可逆比容量,效率在99%以上,容量保持率在84.6%左右,表现出优秀的循环性能,在5 A g-1的大电流充放电的条件下,容量仍然有71 mAh g-1的可逆比容量。磷酸活化和热解柚子皮成功得到了一种低成本、大批量制备高性能钠离子电池负极材料的方法。其次,为了研究材料的比表面积与储钠性能之间的关系,我们以交联网络状的聚吡咯为前驱体,以KOH为活化剂,制备了不同比表面积的硬碳材料。研究表明,随着比表面积的增大,材料的首次效率随着比表面积的增加而先增大后减小,只有合适的比表面积才会使材料的储钠性能达到最佳。本工作中,当KOH与前驱体的质量比为0.5时,材料的首次效率最大可达46.3%,初始充电比容量可达299.3 mAh g-1。不同的粘结剂也会影响到同一种材料的储钠性能的发挥,我们系统研究了CMC、SA、PAA-Na和PVDF四种粘结剂对应的电极片的储钠性能。PAA-Na作为粘结剂所表现出来的电化学性能最佳,首次效率可达65.7%,初始可逆比容量可达343.6 mAh g-1(50 mA g-1的电流密度),在大电流密度下(3 A g-1电流密度)可达155 mAh g-1。SA作为粘结剂时,电极片的首次效率可达51.6%,在大电流密度下可逆比容量与PAA-Na的粘结剂相当,循环125圈之后,材料的可逆比容量可达200 mA g-1。SA主要从海藻中提取出来,其来源广泛、原料低廉、可工业化生产,因此,粘结剂SA可以作为钠离子电池产业化的一种很有前途的粘结剂。硬碳材料可逆比容量高、电压平台低,安全可靠等优点使之作为钠离子电池负极材料很有希望。但对于硬碳材料储钠的机理和方式还需进一步研究,其实际应用应用也存在一些困难。相信随着人们不断的研究之后,硬碳材料必将走上实际应用的舞台。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912

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本文编号：1272442