钠离子电池生物质硬碳负极材料的制备及性能研究
发布时间：2020-11-01 18:05
硬碳是最具有应用价值的钠离子电池(SIBs)负极材料,要想实现钠离子电池的大规模商业应用,还需要找到合适的前驱体和制备方法,实现较高的首次充放电效率和进一步提高循环性能。本文选用价格低廉、来源丰富的生物质松果作为前驱体,通过对碳化温度、杂质含量、粒径大小等制备条件的精确控制,得到了电化学性能优异的钠离子电池松果硬碳(PHC)负极材料。本论文具体研究内容和成果如下:(1)本论文首次使用资源丰富的生物质松果通过两步碳化法合成了硬碳负极材料。采用X射线衍射分析(XRD)、拉曼光谱分析(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨扫描透射电子显微镜(HRTEM)和N_2吸附脱附等温曲线方法研究了松果硬碳的微观结构。采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和电化学交流阻抗(EIS)研究了PHC材料的电化学性能。结果表明:松果硬碳的物理和电化学性能受碳化温度的影响很大。随着碳化温度的升高,PHC材料的比表面减小,提高了首次充放电效率,还可以调整非晶PHC材料的微观孔结构,影响PHC材料的斜坡和平台容量,从而调控PHC材料的能量密度和功率特性。实验发现1400℃下合成的PHC1400样品表现出最好的综合电化学性能,在电流密度30mA g~(-1)下,可逆比容量达到370 mAh g~(-1),循环120周后比容量为334 mAh g~(-1),容量保持率92.7%,首效高达85.4%。(2)研究了杂质、电解液、粘结剂和导电炭黑对钠离子电池硬碳负极材料性能的影响,并且确定了PHC的储钠机理是吸附-嵌入式。其结果表明:经过清洗除杂的PHC1400循环性能优于未清洗的PHC1400,循环100周后,清洗和未清洗的PHC1400比容量分别是328 mAh g~(-1)和299 m Ah g~(-1),容量保持率分别为91.1%和83.3%。本论文采用了PVDF、CMC和海藻酸钠三种粘结剂,发现CMC粘结剂表现出最优异的性能。采用电解液NaClO_4-EC:DEC,钠离子电池表现出最高的容量和循环性能。PHC1400具有良好的导电性,在未加入导电炭黑的情况下,仍表现出良好的电化学性能。(3)使用溶胶凝胶燃烧法合成NaCrO_2、Na_(2/3)Ni_(1/3-x)Mg_x Mn_(2/3)O_2钠离子电池正极材料,以松果硬碳(PHC1400)为负极构建全电池,并进行了综合电化学性能研究。结果表明:在电流密度30 mA g~(-1)下,NaCrO_2/PHC1400全电池表现出288.9mAh g~(-1)的可逆比容量,循环200周后比容量达150 mAh g~(-1)。Na_(2/3)Ni_(1/3-0.1)Mg_(0.1)Mn_(2/3)O_2/PHC1400全电池在电流密度30 mA g~(-1)下,表现出225.6mAh g~(-1)的可逆比容量。因此PHC1400作为钠离子电池负极材料在全电池中具有很高的应用价值。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【部分图文】：
1 绪论基因筛选技术，使其来快速确定合适的电极材料成为一种可能。现在钠离池还存在着一些基础的科学问题需要解释：(1) 钠离子的嵌入/脱出机理[28]离子和锂离子在相似电极中的迁移和动力学性能的不同点；(3) SEI 膜在不解液体系中的形成机理；(4) 钠离子在电解液和电解界面的转移过程。虽然子电池还存在着很多问题，但是通过研究者的努力钠离子电池有望取代锂电池而成为下一代大规模储能电池体系。.2 钠离子电池的工作原理
1 绪论3 钠离子电池负极材料石墨作为锂离子电池负极材料已经大规模生产应用，可逆比容量达到h g-1[29,30]，但是由于受石墨层间距 (0.34 nm) 和结构的限制，Na+的半径大 55%很难嵌入到石墨层中。如图 1.2，石墨作为钠离子电池负极材料表现差的电化学性能[31]。因此，开发高性能的钠离子电池负极材料是研究者关热点。目前，典型的钠离子电池负极材料有碳基材料、硫基材料、锡基材属合金和金属氧化物、有机化合物等。
图 1.3 Na+嵌入石墨基材料示意图[32]Fig. 1.3 Schematic illustration of sodium storage in graphite-based materials石墨受层间距和结构的限制很难应用于钠离子电池负极材料，Yang Wen 人[32]报道了通过对石墨氧化和部分还原法制备膨胀石墨作为钠离子电池负极使其层间距扩展到 4.3 ，仍然保持长程有序的层状结构，如图 1.3 所示，(a) 离子很难嵌入到未经处理的石墨层间距中，(b) 受氧化的石墨层间距扩大，钠子可以嵌入到层间距中，但是大量氧基团也阻碍钠离子的嵌入，(c) 扩展层间的石墨经过处理减少了氧基团，大量的钠离子可以嵌入到层间距中。在电流度 20 mAg-1下可逆比容量达到 284 mAh g-1，电流密度 100 mAg-1下，比容量到 184 mAh g-1，循环 2000 周后，容量保持率 73.92%。研究者通常对碳材料杂来提高材料的性能。Tingzhou Yang 等人[33]利用豆渣为原材料进行碳化，得N 掺杂的碳片，高含量的 N 元素掺杂，使得结构更加稳定，比容量高达 292.2 mAg-1，能量密度达到 146.1 Wh Kg-1，循环 2000 周后，材料依然保持很高的容量纳米碳材料具有较高的比表面积，减小钠离子扩散阻力，有利于钠离子在电
【参考文献】
本文编号：2865898
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【部分图文】：
1 绪论基因筛选技术，使其来快速确定合适的电极材料成为一种可能。现在钠离池还存在着一些基础的科学问题需要解释：(1) 钠离子的嵌入/脱出机理[28]离子和锂离子在相似电极中的迁移和动力学性能的不同点；(3) SEI 膜在不解液体系中的形成机理；(4) 钠离子在电解液和电解界面的转移过程。虽然子电池还存在着很多问题，但是通过研究者的努力钠离子电池有望取代锂电池而成为下一代大规模储能电池体系。.2 钠离子电池的工作原理
1 绪论3 钠离子电池负极材料石墨作为锂离子电池负极材料已经大规模生产应用，可逆比容量达到h g-1[29,30]，但是由于受石墨层间距 (0.34 nm) 和结构的限制，Na+的半径大 55%很难嵌入到石墨层中。如图 1.2，石墨作为钠离子电池负极材料表现差的电化学性能[31]。因此，开发高性能的钠离子电池负极材料是研究者关热点。目前，典型的钠离子电池负极材料有碳基材料、硫基材料、锡基材属合金和金属氧化物、有机化合物等。
图 1.3 Na+嵌入石墨基材料示意图[32]Fig. 1.3 Schematic illustration of sodium storage in graphite-based materials石墨受层间距和结构的限制很难应用于钠离子电池负极材料，Yang Wen 人[32]报道了通过对石墨氧化和部分还原法制备膨胀石墨作为钠离子电池负极使其层间距扩展到 4.3 ，仍然保持长程有序的层状结构，如图 1.3 所示，(a) 离子很难嵌入到未经处理的石墨层间距中，(b) 受氧化的石墨层间距扩大，钠子可以嵌入到层间距中，但是大量氧基团也阻碍钠离子的嵌入，(c) 扩展层间的石墨经过处理减少了氧基团，大量的钠离子可以嵌入到层间距中。在电流度 20 mAg-1下可逆比容量达到 284 mAh g-1，电流密度 100 mAg-1下，比容量到 184 mAh g-1，循环 2000 周后，容量保持率 73.92%。研究者通常对碳材料杂来提高材料的性能。Tingzhou Yang 等人[33]利用豆渣为原材料进行碳化，得N 掺杂的碳片，高含量的 N 元素掺杂，使得结构更加稳定，比容量高达 292.2 mAg-1，能量密度达到 146.1 Wh Kg-1，循环 2000 周后，材料依然保持很高的容量纳米碳材料具有较高的比表面积，减小钠离子扩散阻力，有利于钠离子在电
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 赵亮;潘慧霖;胡勇胜;李泓;陈立泉;;Spinel lithium titanate (Li_4Ti_5O_(12)) as novel anode material for room-temperature sodium-ion battery[J];Chinese Physics B;2012年02期
本文编号：2865898
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