CuTCNQ和红磷作为钾离子电池电极材料的研究

发布时间：2020-07-11 18:27

【摘要】：锂离子电池因其优异的性能被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车中,但由于锂资源稀少且分布不均,未来锂离子电池的价格可能会大幅上涨。当务之急是寻找可替代的储能装置。金属钾和锂性质相似,且资源丰富,加上锂离子电池中商业化应用的石墨也能用作钾离子电池负极,这些都促使钾离子电池受到了越来越多的关注。但由于K~+半径较大,找到性能优异的电极材料是一个很大的挑战。目前钾离子电池正极材料中,无机材料的电压平台较高,但比容量较低;有机材料与之相反;以普鲁士蓝为代表的金属有机框架材料则兼具二者的优点,因此深受研究者的青睐。对负极而言,碳材料、有机材料比容量普遍较低;大部分合金材料具有高的比容量、合适的电位平台,因此吸引了很多关注。其中磷的理论比容量最高(865mAh/g),受到的期待最大。基于此,本文选择金属有机化合物CuTCNQ作正极、可合金化材料红磷作负极,从电化学性能、储钾机理等方面对两种电极材料进行了较详细的研究。首先,基于局部腐蚀沉积过程制备出CuTCNQ的高导电相I,并就其储钾性能及机理展开研究。通过ex-situ XPS、FTIR测试发现Cu~+和TCNQ~-均具有电化学活性,呈现三电子氧化还原特征,因此CuTCNQ具有高达244 mAh/g的比容量。通过优化碳膜中间层,CuTCNQ实现了良好的循环稳定性,在2-4.1 V区间内循环50周后容量仍然有170 mAh/g。XRD测试表明在2 V附近CuTCNQ的结构变为非晶态,因此将电压区间进一步缩小为2.4-4.1 V后,CuTCNQ的循环稳定性得到了显著提升,在150周内没有明显的容量衰减。此外,CuTCNQ也表现出了极好的倍率性能,在1 A/g的电流密度下比容量为125 mAh/g,优于大部分正极材料。其次,成功制备出CuTCNQ的低导电相II,并研究了它在钾离子电池中的性能。虽然电学性质和晶体结构相差较大,但CuTCNQ相I和相II在钾离子电池中的实际可逆比容量、倍率及循环性能却无明显区别。另外,CV测试显示相I和相II的氧化还原电位等电化学参数存在一定差异,这表明有必要对同分异构体这类材料展开更深入的研究。此外,相II型CuTCNQ与石墨负极组成的全电池表现出了170 mAh/g的高比容量和良好的倍率性能,表明CuTCNQ相II具有实用价值。最后,为了克服红磷导电性差及充放电过程中体积膨胀巨大这两个缺点,用简单的机械球磨法制备了红磷/Super P、红磷/石墨烯复合物。它们都能可逆储存K~+,且表现出了明显的充放电斜坡。其中,红磷/Super P表现出的可逆比容量为262mAh/g(扣除Super P的贡献),循环30周后容量保持率仅为27%。和红磷/Super P相比,与二维石墨烯复合后的红磷展现出了378 mAh/g的可逆比容量(扣除石墨烯的贡献),循环30周后的容量保持率提升至62%。变速CV测试显示红磷/石墨烯具有更高的表观K~+扩散系数和更好的动力学性能。这部分工作表明碳载体种类对合金材料的电化学性能影响较大。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

“摇椅式”钾离子电池的原理示意图

电化学性能[24]

(a)普鲁士蓝的典型结构

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 卢侠;李泓;;锂电池基础科学问题(Ⅱ)——电池材料缺陷化学[J];储能科学与技术;2013年02期

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1 赵明娟;有机负极材料对苯二甲酸钴的电化学储能特性研究[D];电子科技大学;2017年

2 吴波;PAN和TCNQ金属衍生物作为锂离子电池关键材料的研究[D];电子科技大学;2017年

本文编号：2750763