杂原子掺杂碳材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-06-24 14:45
锂离子电池由于其质轻、高能量密度及长循环寿命等优势在便携式电子设备（手机、相机等）和新能源汽车相关领域大放异彩。然而地壳中稀缺的锂资源及其不均衡的分布严重制约了锂离子电池的大规模应用,因此亟需寻找储量丰富兼具高能量密度的新电池体系。其中与锂同主族的钾元素由于储量丰富、价格低廉等优点而备受研究人员关注。另外钾拥有更低的标准电极电势使钾离子电池具备更宽的电压窗口,并且K+的路易斯酸性较弱能够形成更小的溶剂化半径,从而使K+表现出更大的扩散速率。上述优势使钾离子电池有望成为锂离子电池的重要替代品。碳材料由于导电性好、易于化学修饰和结构可调等特点而成为离子电池中最主要的负极材料。目前人们已证实石墨可以应用于钾离子电池,而且其理论容量可达279 mAh g-1。但是尺寸半径较大的钾离子在反复插/脱嵌过程中会引起材料体积膨胀,导致容量衰减。异质原子（N、S、P和B等）掺杂是一种有效改善碳材料作为钾离子电池负极的常用方法。这主要由于异质原子引入后可在碳晶格中产生更多的缺陷位点,提高材料的导电性,从而显著提升其电化学性能。然而迄今为止关...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钾离子电池工作原理示意图
1 绪论电化学嵌钾才逐渐被人们大量报道[24, 26, 27, 36]。首能够在碳纳米纤维内进行可逆的嵌入和脱出，但是致了严重的结构变形和容量衰减。随后在 2015 年，作为室温 KIBs 负极材料，发现 K+可以在石墨层中电化学测试显示，在 C/40（1C=279 mA g-1）的倍mAh g-1，基本接近钾离子完全嵌入石墨层中的理论位 XRD 等测试手段检测，发现钾离子嵌入石墨层主36、KC24、KC8三个相[24, 36]，在脱钾的时候逐渐恢证实了石墨在脱嵌钾过程中发生的可逆电化学相似，随着 KC8的生成，在能量上也会呈现一个更加
和锂离子电池相比，石墨用作钾离子电池负极具有更高的平台电压（0.2.K+/K，0.1 V vs.Li+/Li），这为避免枝晶问题的出现提供了一个新思路。但所表现出的循环稳定性不尽如人意，主要原因是其在反复充放电过程中会产重的体积膨胀（61%），剧烈的体积变化在电极内部产生巨大的应力，导致库伦效率较低和容量衰减迅速。通过采用合适的粘结剂和电解液体系，可在程度上缓解其体积改变，进而改善电极的电化学性能[26, 37]。Komaba[26]等对不同粘结剂（PVDF/CMCNa/PANa）体系下石墨的钾离子电化学性能，结果，三者在首周库伦效率方面有较大差异，其中 CMCNa 的库伦效率最高（89%DF 的最低（59%），PANa 的（79%）则处于二者之间，而且 PANa 粘结剂的石墨负极在循环进行 50 圈后容量几乎没有衰减。除此之外，降低石墨的性同样可以有效地提高石墨负极的电化学性能。Xiulei Ji 课题组研究人员通学沉积（CVD）法制备了一种多晶的纳米晶型石墨[38]，这种石墨在微晶区序性比较高，但是在较大的范围里却呈现无序排列状态，相对于天然石墨而循环 240 周后容量保持率仍能高达 50%，可见这种多晶石墨的循环寿命和容持性能均得到了明显的提高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Progress in electrolytes for rechargeable Li-based batteries and beyond[J]. Qi Li,Juner Chen,Lei Fan,Xueqian Kong,Yingying Lu. Green Energy & Environment. 2016(01)
本文编号：3247295
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钾离子电池工作原理示意图
1 绪论电化学嵌钾才逐渐被人们大量报道[24, 26, 27, 36]。首能够在碳纳米纤维内进行可逆的嵌入和脱出，但是致了严重的结构变形和容量衰减。随后在 2015 年，作为室温 KIBs 负极材料，发现 K+可以在石墨层中电化学测试显示，在 C/40（1C=279 mA g-1）的倍mAh g-1，基本接近钾离子完全嵌入石墨层中的理论位 XRD 等测试手段检测，发现钾离子嵌入石墨层主36、KC24、KC8三个相[24, 36]，在脱钾的时候逐渐恢证实了石墨在脱嵌钾过程中发生的可逆电化学相似，随着 KC8的生成，在能量上也会呈现一个更加
和锂离子电池相比，石墨用作钾离子电池负极具有更高的平台电压（0.2.K+/K，0.1 V vs.Li+/Li），这为避免枝晶问题的出现提供了一个新思路。但所表现出的循环稳定性不尽如人意，主要原因是其在反复充放电过程中会产重的体积膨胀（61%），剧烈的体积变化在电极内部产生巨大的应力，导致库伦效率较低和容量衰减迅速。通过采用合适的粘结剂和电解液体系，可在程度上缓解其体积改变，进而改善电极的电化学性能[26, 37]。Komaba[26]等对不同粘结剂（PVDF/CMCNa/PANa）体系下石墨的钾离子电化学性能，结果，三者在首周库伦效率方面有较大差异，其中 CMCNa 的库伦效率最高（89%DF 的最低（59%），PANa 的（79%）则处于二者之间，而且 PANa 粘结剂的石墨负极在循环进行 50 圈后容量几乎没有衰减。除此之外，降低石墨的性同样可以有效地提高石墨负极的电化学性能。Xiulei Ji 课题组研究人员通学沉积（CVD）法制备了一种多晶的纳米晶型石墨[38]，这种石墨在微晶区序性比较高，但是在较大的范围里却呈现无序排列状态，相对于天然石墨而循环 240 周后容量保持率仍能高达 50%，可见这种多晶石墨的循环寿命和容持性能均得到了明显的提高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Progress in electrolytes for rechargeable Li-based batteries and beyond[J]. Qi Li,Juner Chen,Lei Fan,Xueqian Kong,Yingying Lu. Green Energy & Environment. 2016(01)
本文编号：3247295
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