Sb 2 S 3 和Sb 2 O 3 纳米棒的合成及其二次碱金属电池应用
发布时间：2021-06-21 22:02
作为电池的重要组成部分之一,负极材料的性能对电池性能起着决定性作用。在近年来的研究中,传统的嵌入型负极材料如石墨等由于理论容量偏低这一难以改变的因素严重限制了其发展。合金化和转换型材料则因为具有高容量被认为是下一代二次电池最有潜力的负极材料,其中研究最多的便是金属硫化物和金属氧化物。但是这类材料本身导电性较差,同时在反应过程中会发生巨大的体积变化;这会导致电池的倍率性能和循环稳定性较差。另一个限制这类材料商业化应用的因素则是,这类材料的合成过程大多比较复杂并且对于反应条件有着严格的限制使得在生产中很难做到大规模高效的合成。而对于这类材料的研究同样存在一些空白区域,很少有人对同一种材料在多种碱金属离子电池的应用有系统性的研究,并对其在不同电池中的储能机理进行分析比较。为了给解决上述问题提供一个良好的思路和方向,同时也为后来者研究锑基材料的储能性能提供理论基础。本论文从寻找低成本高效率的的合成方法入手,分别合成了Sb2O3、Sb2S3和Sb2S3@PPy纳米棒...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池原理图[2]
7和385mAhg-1。虽然他们也具有较高的理论容量，但是由于环境问题以及在地壳中的储量十分稀少等无法改变的限制因素目前并没有引起足够的关注。（3）钾离子电池合金化材料主要来自与第四和第五主族的元素。和嵌入型材料相比，合金化材料主要利用某些元素可以与钾反应形成合金，由于每个原子可以和多个钾原子发生反应，因此合金化材料一般具有很高的理论容量。Kim等人最近计算并比较了钾和钠与锗、锡、锑、铅等金属合金化反应能量的关系[38]。并通过密度泛函理论计算结果得到了两种电池中材料发生合金化反应的趋势，结果如图1-2所示。图1-2不同材料合金化电压和组成曲线[38]首先可以发生合金化反应的钾的量通常少于钠，使得合金化材料在钾离子电池中的容量通常比钠离子电池中小；其次对于所有合金化反应，钾的反应的电压都要高于钠，这种较高的电压会使得在钾离子电池中能量密度有所损失。此外，他们对合金化过程中材料在钠离子电池和钾离子电池中的体积变化也进行了对比。由于钾离子的半径大于钠离子，导致反应时在钾离子电池中材料的体积变化要大于钠离子电池，因此通过对材料表面修饰或引入合适的材料进行复合以减少反应过程中的体积变化十分重要。Sangster等人很早就报道了钾-锑合金化反应的过程，从锑和钾的二元相图中可以发现多种相锑钾合金[39]，二元相图既可以反映锑-钾系统的热力学过程，也可以与电池中恒流充放电联系起来。根据二元相图，钾和锑之间的合金化反应
8包括以下几个阶段：KSb2，KSb，K5Sb4和K3Sb，其理论容量分别为110，220，275和660mAhg-1。McCulloch等人首次研究了Sb-C复合材料作为钾离子电池负极的电化学性能。通过形成立方K3Sb，Sb-C复合材料表现出高达650mAhg-1的容量以及一个良好的库伦效率[40]。在不同电压（0.5,0.28和0.05V）下的SEM观察结果还表明，在合金化反应期间Sb-C发生了巨大的体积膨胀。黑磷和石墨烯类似由层状结构组成，并且它的层间距为3.08（大于石墨烯的1.86）更加有利于钾离子的储存。Sultana等人报道了一种和黑磷和碳的复合材料，通过球磨的方式将碳材料包覆在黑磷上[41]。通过黑磷和钾的反应形成KP合金，材料在50mAg-1的电流密度下表现出400mAhg-1的高容量。在合金化反应中作为最终产物Li3P，Na3P和K3P合金的形成是产生高容量的原因；但是这些合金的形成往往伴随这材料巨大的体积变化，从而导致电池容量的衰减。相比之下，KP合金的形成具有较小的体积变化，作为钾离子电池负极材料具有更加优异的循环稳定性。总之这些结果表明磷基材料是一种非常有潜力的钾离子电池负极材料，但在未来的研究中仍然需要进一步研究其在钾离子电池中的反应机理，并对电化学性能进行优化。铋在钠离子电池中应用后也被认为是一种十分有潜力的钾离子电池负极材料。最近，Lei等人和Huang等人将铋微粒（商业化的铋）作为负极材料应用到钾离子电池中[42,43]。通过结合XRD和DFT计算，Huang等人揭示了铋中的储钾机制：首次放电时铋表面形成K3Bi合金，在随后的循环过程中反应过程为K3Bi–K3Bi2–KBi2–Bi，如图1-3所示。图1-3铋的合金化反应过程[46]这些结果与Petric等人报道的早期K-Bi平衡相图非常吻合[44,45]。放电过程中
【参考文献】：
期刊论文
[1]Robust self-supported anode by integrating Sb2S3 nanoparticles with S,N-codoped graphene to enhance K-storage performance[J]. Yanying Lu,Jun Chen. Science China（Chemistry）. 2017(12)
本文编号：3241493
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池原理图[2]
7和385mAhg-1。虽然他们也具有较高的理论容量，但是由于环境问题以及在地壳中的储量十分稀少等无法改变的限制因素目前并没有引起足够的关注。（3）钾离子电池合金化材料主要来自与第四和第五主族的元素。和嵌入型材料相比，合金化材料主要利用某些元素可以与钾反应形成合金，由于每个原子可以和多个钾原子发生反应，因此合金化材料一般具有很高的理论容量。Kim等人最近计算并比较了钾和钠与锗、锡、锑、铅等金属合金化反应能量的关系[38]。并通过密度泛函理论计算结果得到了两种电池中材料发生合金化反应的趋势，结果如图1-2所示。图1-2不同材料合金化电压和组成曲线[38]首先可以发生合金化反应的钾的量通常少于钠，使得合金化材料在钾离子电池中的容量通常比钠离子电池中小；其次对于所有合金化反应，钾的反应的电压都要高于钠，这种较高的电压会使得在钾离子电池中能量密度有所损失。此外，他们对合金化过程中材料在钠离子电池和钾离子电池中的体积变化也进行了对比。由于钾离子的半径大于钠离子，导致反应时在钾离子电池中材料的体积变化要大于钠离子电池，因此通过对材料表面修饰或引入合适的材料进行复合以减少反应过程中的体积变化十分重要。Sangster等人很早就报道了钾-锑合金化反应的过程，从锑和钾的二元相图中可以发现多种相锑钾合金[39]，二元相图既可以反映锑-钾系统的热力学过程，也可以与电池中恒流充放电联系起来。根据二元相图，钾和锑之间的合金化反应
8包括以下几个阶段：KSb2，KSb，K5Sb4和K3Sb，其理论容量分别为110，220，275和660mAhg-1。McCulloch等人首次研究了Sb-C复合材料作为钾离子电池负极的电化学性能。通过形成立方K3Sb，Sb-C复合材料表现出高达650mAhg-1的容量以及一个良好的库伦效率[40]。在不同电压（0.5,0.28和0.05V）下的SEM观察结果还表明，在合金化反应期间Sb-C发生了巨大的体积膨胀。黑磷和石墨烯类似由层状结构组成，并且它的层间距为3.08（大于石墨烯的1.86）更加有利于钾离子的储存。Sultana等人报道了一种和黑磷和碳的复合材料，通过球磨的方式将碳材料包覆在黑磷上[41]。通过黑磷和钾的反应形成KP合金，材料在50mAg-1的电流密度下表现出400mAhg-1的高容量。在合金化反应中作为最终产物Li3P，Na3P和K3P合金的形成是产生高容量的原因；但是这些合金的形成往往伴随这材料巨大的体积变化，从而导致电池容量的衰减。相比之下，KP合金的形成具有较小的体积变化，作为钾离子电池负极材料具有更加优异的循环稳定性。总之这些结果表明磷基材料是一种非常有潜力的钾离子电池负极材料，但在未来的研究中仍然需要进一步研究其在钾离子电池中的反应机理，并对电化学性能进行优化。铋在钠离子电池中应用后也被认为是一种十分有潜力的钾离子电池负极材料。最近，Lei等人和Huang等人将铋微粒（商业化的铋）作为负极材料应用到钾离子电池中[42,43]。通过结合XRD和DFT计算，Huang等人揭示了铋中的储钾机制：首次放电时铋表面形成K3Bi合金，在随后的循环过程中反应过程为K3Bi–K3Bi2–KBi2–Bi，如图1-3所示。图1-3铋的合金化反应过程[46]这些结果与Petric等人报道的早期K-Bi平衡相图非常吻合[44,45]。放电过程中
【参考文献】：
期刊论文
[1]Robust self-supported anode by integrating Sb2S3 nanoparticles with S,N-codoped graphene to enhance K-storage performance[J]. Yanying Lu,Jun Chen. Science China（Chemistry）. 2017(12)
本文编号：3241493
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