钠离子电池正极材料硫酸亚铁钠的制备及电化学性质研究

发布时间：2020-05-14 04:07

【摘要】：锂离子电池是一种可循环使用的高效洁净新能源,是综合缓解能源、资源和环境问题的有效技术途径,目前已广泛用作各种电子产品的工作电源和移动式装置的动力电池。然而,锂元素在地壳中的丰度仅为0.0006%,资源和价格问题成为锂离子电池大规模应用的最大障碍。为此,寻找和研发下一代综合效能优异的储能电池新体系迫在眉睫。钠元素作为与锂同一主族的元素,电化学性质非常相近,并且储量丰富,地壳丰度约为2.64%,成本也更为低廉,因此用钠替代锂开发钠离子电池具有非常广阔的应用前景,而寻找和开发合适的电极材料成为钠离子电池研究的主要任务之一。近年来,随着聚阴离子材料磷酸铁锂(LiFePO_4)作为动力锂离子电池正极材料成功实现商业应用,人们对钠离子电池正极材料的研究也集中在聚阴离子型材料。在众多聚阴离子型化合物中,SO_4~(2-)具有更高的电负性和更强的诱导效应,因此硫酸盐材料的工作电压更高,从而受到更加广泛地关注。Na_2Fe_2(SO_4)_3作为钠离子电池正极材料,相比于LiFePO_4材料,充放电平台更高(3.8 V),并且其自身结构所具有的三维钠离子通道使其拥有更高的离子导电率。然而,Na_2Fe_2(SO_4)_3材料低的电子导电率和钠离子扩散系数等缺点限制了它的实际应用。在本论文中,围绕Na_2Fe_2(SO_4)_3以上缺点,我们有针对性的进行了研究,分别制备得到还原氧化石墨烯包覆硫酸亚铁钠(Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO)和稻壳炭负载硫酸亚铁钠(Na_2Fe_2(SO_4)_3@RHC)复合材料。氧化石墨烯作为一种二维碳材料,通过与Na_2Fe_2(SO_4)_3复合,能够完整地包覆在材料表面,提高材料的电导率,有利于电子传输。同时,还原氧化石墨烯包覆后隔绝了Na_2Fe_2(SO_4)_3材料与电解液之间的接触,抑制了二者之间的副反应。通过直流电导率测试表明,复合材料的电导率由2.0×10~(-15) S cm~(-1)提高到1.65×10~-66 S cm~(-1),在0.1 C(1 C=120 mAh g~(-1))倍率下经过100次循环后,Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO材料的比容量保持率达到89%,而原始的Na_2Fe_2(SO_4)_3材料仅为67%。Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO材料在5 C倍率下依然能够获得66 mAh g~(-1)的容量,而原始的Na_2Fe_2(SO_4)_3材料容量仅为16 mAh g~(-1)。EIS测试表明材料的动力学性能得到了明显提升,电荷转移电阻由1551Ω减小到了701.2Ω。GITT测试表明钠离子扩散系数提高了10多倍。通过还原氧化石墨烯包覆提高了材料的电导率和动力学性能,并且抑制了材料与电解液之间的副反应,因此获得了更加优异的电化学性能。通过原位合成,我们制备得到Na_2Fe_2(SO_4)_3@RHC复合材料。经过RHC复合后,材料的电化学性能得到了提升,首次充电容量达到123.9 mAh g~(-1),循环伏安(CV)测试发现材料的氧化还原峰之间的极化得到减小,电化学阻抗谱(EIS)测试发现不仅材料表面膜电阻减小,而且电荷转移电阻也明显减小,表明RHC复合提高了材料的动力学性能,因而提高了材料的电化学性能。同时RHC作为一种生物质炭,将其应用在钠离子电池中,能够有效的降低成本,实现大规模储能。
【图文】：

可再生能源发电,二次电池,混合动力,电动汽车

1 引言化石燃料仍然是我们的主要电力供应资源。然而，化石燃料的广泛使用大量的二氧化碳是全球变暖的主要原因。因此，太阳能，风能等可再生能发和利用迫在眉睫。正常运行的电网需要稳定持续的发电，而太阳能和风境因素（如天气，季节和地点等）比较依赖，不适合现代电网的应用。为这个问题，电化学储能（EES）技术引起人们的重视。锂离子电池作为储的“新贵”，具有高的能量密度和超长的循环寿命，此外其较高工作电压境污染小，已成为近年来人们研究的重点。在实际应用中，锂离子电池也应用在手机、电脑、数码产品等，同时也带动了新能源汽车和储能等领域1-3]。图 1.1 显示了可再生能源发电图[4]，从中可以看出 EES 和不同电子电力所需的能源车辆运输均影响者我们的日常生活。

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图 1.2 室温钠离子电池工作原理示意图ure 1.2 The working principle of room-temperature sodium-ion bat离子电池正极材料周知，我们要提高电池的能量密度、安全性以及循环寿命，正其关键因素。因此，人们一直致力于改善和提升正极材料的性型的正极材料。理想的正极材料，，应具备以下优点[19-20]：）具有较高的比容量；）较高的氧化还原电位；）稳定的晶体结构，允许钠离子嵌入和脱出；）良好的电子和离子导电率；）资源储量丰富、制备简单，成本低，环境友好等。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

【参考文献】