氧化钽的电化学储能研究

发布时间：2020-04-18 16:08

【摘要】：五氧化二钽(Ta2O5)是钽最常见的氧化物,也是钽在空气中燃烧生成的最终产物,主要用作拉钽酸锂单晶和制造特种光学玻璃。由于钽具有多种可变价态,因而,五氧化二钽在电化学能源及催化方面也得到了广泛的关注。近年来,五氧化二钽在锂离子、钠离子电池和超级电容器等储能器件电极材料方面有着很多应用。通过部分转化反应,Ta2O5可以提供高达482 m Ah g-1的理论容量,高于石墨负极及一些常规氧化物,因而在电化学储能方面具有潜在的应用性。然而,Ta2O5的宽带隙(4.2 e V)和低电子导电率导致了其较差的电化学性能,故无法满足实际应用的需要。本论文工作针对Ta2O5导电性差的缺点,通过设计三维自支撑结构的Ta2O5薄膜以及调控其氧缺陷的方法,最终有效降低了氧化钽的能量带隙,并较好地提升了其导电性能。随后在此基础上进行了系统的电化学性能表征,取得了一些有意义的成果。具体研究内容如下:1)针对氧化铌和氧化钽具有相似的物理化学性质,从目前研究报道较多的五氧化二铌入手,运用电化学阳极氧化的方法在金属铌的表面合成三维有序自支撑的纳米多孔阵列,为三维自支撑纳米结构氧化钽薄膜的合成提供实验思路和方法的支撑。然后对样品进行高温处理,开展后续的表征和电化学测试工作。将处理后的自支撑氧化铌薄膜作为超级电容器的负极材料测试其电化学性能,展现出了典型的赝电容性和较好的稳定性,也为后续的研究打下了基础。2)在五氧化二铌工作的基础上,重点探究如何在金属钽表面生长有序纳米结构的五氧化二钽薄膜,并在合适的温度下于氩气中进行退火处理,最后运用到电化学储能器件的电极材料中。三维自支撑结构保证了离子的固相传输始终处在纳米尺度,并且在作为电化学储能器件的电极材料时无需使用粘结剂和集流体,能够提高离子扩散速率。在氩气中高温退火处理能够充分除去合成过程中的水分残留和产生氧空位,降低氧化钽的带隙,最终提升了氧化钽薄膜的导电性,也提升了氧化钽电极材料的电化学储能的容量和循环稳定性。将处理后的样品作为锂离子电池的负极材料进行电化学测试。450oC氩气中退火的样品(Ta2O5-450)在96.4 m A g-1(0.2 C,1 C表示8个锂离子在1小时内嵌入Ta2O5中,等于482 m A g-1)的电流密度下能保持402 m Ah g-1的容量,在较大的电流密度2410 m A g-1(5 C)下循环10000次后仍然能保持209 m Ah g-1的容量,该倍率和循环性能优于目前的文献报道的结果。氧化钽在充放电过程中表现出赝电容性能,并且在储锂过程中主要发生嵌入反应。3)在此基础上,对五氧化二钽薄膜在水系和有机体系中的储钠性能进行了研究。在水系中,氧化钽薄膜的储钠表现出赝电容性特性和较好的稳定性。而在有机系中,五氧化二钽储钠的性能一般,拟通过调控氧化钽表面形貌的方法来提高其储钠活性。
【图文】：

中元,地壳,电池

图 1-1 地壳中元素丰度图素位于海洋和湖泊中，易于开采。相应的，工业纯碱 (Na2CO3左右，是 Li2CO3的 1 %，成本低廉，所以钠离子电池是锂离子，从上世纪七八十年代开始，钠离子电池的研究开始兴起。此 1.02 ，大于 Li (0.76 )，其还原电位为 2.71 V，略低于 Li 大于 Li (23 g mol 1vs. 6.9 g mol 1)这导致了钠离子电池在比容面逊于锂离子电池[2, 18, 35]。综上所述，钠离子电池在大型比如智能电网和电动汽车）的应用前景较好，在小型储能器件子电池。子电池的工作原理子电池相似，钠离子电池也是摇椅式电池。在充电过程中 N

示意图,双电层电容,工作原理,示意图

电化学储能研究第级电容器的工作原理和其类似，但又有所不同。超级电容器按工作原理双电层电容 (EDLC)和法拉第赝电容 (Pseudocapacitor)[49]。电层电容是由德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论发展而成间施加一个小于电解液分解电位的电势差，电解液中的异性电荷就会迅液和两极板的界面处，并在极板上感应出电性相反的电荷，形成双电荷双电层电容，，见图 1-2。其原理和传统电容器类似，充放电过程中没有，只有电荷在极板上的感应。但是由于极板与电解液
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ135.13

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