钛基钠离子储能电池负极材料的制备与性能研究

发布时间：2017-12-29 10:34

本文关键词：钛基钠离子储能电池负极材料的制备与性能研究　出处：《北京理工大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：能源短缺和环境污染已成为人类生存和发展必须面对的问题,可再生能源将会是未来能源的必然选择。而能源的转换与存储是利用可再生能源的关键,在众多现有储能器件中,虽然锂离子电池具有高能量密度,长寿命等优势,但未来作为电动汽车动力电池的使用会使锂资源短缺。钠元素与锂元素同处第一主族,且钠在地壳和海水中储量丰富,价格低廉,钠的氧化还原电位较高,用钠替代锂开发出的钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作机理,但是在价格,环保,安全性方面更具有优势,如果性能优良,那么可在大规模储能中替代锂离子电池。电极材料是电池的关键部分,因此开发出循环性能优异、比容量高的正负极材料是钠离子电池研究的核心。在众多的电极材料中,钛基材料因价格低廉、绿色环保等优势引起了较大的关注。尽管钛基材料作为锂离子电池负极材料已被广泛研究,但是其作为钠离子电池负极材料的报道较少,因此具有较大研发空间。2011年,Na2Ti3O7材料被Premkumar课题组首先报道,由于该材料具有较低(ca.0.3V vs.Na/Na+)的储钠电位而备受研究者关注。本文借鉴共沉淀法合成三元和富锂材料的思路,以微球TiO2为钛源,高温固相法制备了片状形貌的Na2Ti3O7材料,并探索对其合成工艺和电化学反应机理。实验结果表明:900℃焙烧20h,可获得纯相Na2Ti3O7材料,用1mol/L NaClO4电解液(EC/DMC为溶剂),0.1C倍率,首周放电/充电容量424/191mAh g-1,库伦效率45%,循环50周后,可逆容量101mAh g-1。CV测试表明,由于首周放电过程中SEI膜的生成导致首周库伦效率较低,且生成的SEI膜在后续的循环中会发生部分降解。倍率测试表明,1C,5C可逆容量分别为81mAh g-1和46mAh g-1。使用1mol/L NaPF6电解液(EC/DEC为溶剂),首周放电/充电容量288/160.1mAh g-1,首周库伦效率提升至56%,但是该电解液对材料的循环性能并无明显改善。锐钛矿TiO2廉价、环保,作为钠离子电池负极材料的研究正在逐步展开。本文使用缓慢水解-焙烧法制备了多孔纳米晶锐钛矿TiO2,并使用XRD,SEM,TEM,氮气吸附-脱附研究了其微观结构和多孔性。作为钠离子电池负极材料时,0.1C电流密度,首周放电、充电容量分别为512mAh g-1和195mAh g-1,循环50周后可逆容量131.8mAh g-1。倍率测试表明,电流密度2C时,可逆容量63.3mAh g-1。交流阻抗测试表明该材料的界面电荷转移电阻409.4?。由于锐钛矿TiO2是典型的半导体,电子导电率差,本文使用碳包覆改性提高其表面电子导电性和颗粒间的电子接触,并重点研究了碳包覆量材料电化学性能的影响。XRD测试表明碳包覆并未改变材料的晶体结构,Raman光谱证实了表面碳层的存在,TG分析表明三种样品的碳包覆量分别为7.2wt.%,9.9wt.%,15.8wt.%。TEM测试表明包覆前后的样品均为多孔结构,多孔性研究表明,0wt.%(未包覆)样品孔径多为3.7-4.1nm,碳包覆量9.9wt.%样品孔径多为41.9-80.2nm。恒流充放电测试表明碳包覆对材料储钠性能改善明显,电流密度0.1C,碳包覆量7.2wt.%,9.9wt.%,15.8wt.%样品首周放电/充电容量501/193mAh g-1,570/230mAh g-1,598/251mAh g-1,循环50周后可逆容量159mAh g-1,191mAh g-1,205mAh g-1。但是大倍率电流条件下,增加碳包覆对材料容量提高有限,碳包覆量分别为7.2wt.%,9.9wt.%,15.8wt.%样品2C电流密度可逆容量分别为80mAh g-1,103mAh g-1和113mAh g-1。交流阻抗测试表明,三种碳包覆样品的表面电子转移阻抗随含碳量增加而减少,分别为310.6?,300?,174.8?。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912

【共引文献】