嵌入型负极材料的微纳结构设计及储钾机理研究

发布时间：2021-10-19 13:07

　　近年来,可充电电池在消费类电子产品与大型储能器件的应用领域中发挥着至关重要的作用。在可充电电池研究体系中,钾离子电池得到了广泛关注。钾金属资源丰富且标准电极电势较低,因此钾离子电池的实际应用具有成本低廉、能量密度高的优势。然而,钾离子电池进一步发展面临的瓶颈是钾离子半径太大,导致宿主材料在充放电过程中体积变化严重、反应动力学缓慢,这一问题将造成电极材料电化学性能快速衰减。基于钾离子电池面临发展瓶颈的现状,探索具有超高结构稳定性和超快钾离子迁移速率的电极材料至关重要。目前,嵌入型电极材料由于在充放电过程中具有优异的结构稳定性和较快的离子传输速率,被认为是潜在的钾离子电池负极材料。然而,嵌入型电极材料存在钾离子储存容量低、电子电导率差的缺点,这导致组装的钾离子电池存在比容量低、倍率性能差的问题。针对嵌入型材料用作钾离子电池电极材料时存在的不足,本论文设计并制备了一系列嵌入型钾离子电池负极材料（碳基材料和钒钛基氧化物）,并对该系列的嵌入型电极材料的结构设计、储钾机理进行了深入的研究分析。具体内容如下:碳基材料因成本低廉已经在钾离子电池负极材料领域得到了广泛的研究关注。然而,碳基材料的循环稳定... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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从2004年到2019年7月钾离子电池的发文量[8]

第一章绪论3虽然以上的这些优势说明了钾离子电池光明的应用前景，但是进一步的实际应用依然存在问题。第一，由于钾元素的相对原子质量较大，这在理论上限制了钾二次电池的比能量密度。第二，钾离子的半径太大，其在电极材料中的本征嵌入脱出过程反应动力学较慢。并且大尺寸的钾离子多次在电极材料中嵌入脱出时体积效应大，这会导致电化学性能的快速衰减。目前国际上众多的科研工作者已经开始致力于钾离子电池电极材料的研发工作已有诸多成果，但反应动力学缓慢的根本问题依然没有得到很好的解决。因此在本论文中，我们将在前人研究基础上进一步探索高性能钾离子电池电极材料。1.2钾离子电池的组成与工作原理如图1-3所示，钾离子电池由正极、负极材料，电解质和隔膜组成。钾离子电池的工作原理与锂离子电池类似：主要是由于钾离子在正负极之间可逆的嵌入脱出过程引起电极电位的变化。与锂离子电池中的“摇椅式”反应类似。正负极材料由两种能够可逆的嵌入脱出钾离子的材料组成。在充电时，钾离子从正极材料中脱出到达电解液中，在电场力的作用下迁移到负极；此时在外电路中，电子通过导线有正极迁移到负极，从而确保正负极的正负极电荷守恒。放电过程是充电过程的逆过程。图1-3钾离子电池的组成与充放电原理Fig1-3Compositionandcharge-dischargeprincipleofpotassiumionbattery

华南理工大学博士学位论文41.3钾离子电池正极材料由于钾离子半径比锂离子和钠离子大，这使得离子在电极中的反应动力学及其缓慢。然而钾离子具有更强的路易斯酸性，它在电解液中具有更快的传输速率。因此对钾离子电池而言虽然离子的嵌入过程受到了限制，但是离子的却具有更快的转移速率。图1-4是目前钾离子电池正极材料的比容量和电压窗口研究现状分析，可以看出目前的正极材料主要包括了普鲁士蓝、层状氧化物、聚阴离子化合物和有机化合物[9,10]。截止目前越来越多的科研团队开始致力于开发高性能的钾离子电池正极材料，并且关于钾离子电池正极材料已经出现了大量的研究成果。在这个部分，我们将对正极材料的发展做了详细的介绍。图1-4常见的钾离子电池正极材料的电压窗口和比容量Fig1-4Voltagewindowandspecificcapacityofcommonpotassiumionbatteryanodematerials1.3.1普鲁士蓝正极材料普鲁士蓝的通用分子式是AxM[Fe(CN)6]y·zH2O，其中A代表碱金属（如锂、钠或钾），M代表过渡金属（铁、锰、镍或钴），x的值由M和铁的价态决定，一般在0-2之间。如图1-5所示，普鲁士蓝的晶胞呈现是面心立方的开放骨架结构，空间群是Fm3m。在这个立方晶格中，氰化物配体与八面体结构的MN6和FeC6相互连接，形成了一个具

【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous surfur-doped hard carbon for excellent potassium storage[J]. Xuan Xie,Shihan Qi,Daxiong Wu,Huaping Wang,Fang Li,Xiaoxin Peng,Jinfeng Cai,Jiaojiao Liang,Jianmin Ma.  Chinese Chemical Letters. 2020(01)
[2]钾离子电池负极材料研究进展[J]. 张贺贺,孙旦,王海燕,唐有根.  储能科学与技术. 2020(01)
[3]钾离子电池中碳负极材料的研究进展[J]. 雷宇,韩达,秦磊,翟登云,康飞宇.  新型炭材料. 2019(06)
[4]世界能源发展趋势与中国能源未来发展方向[J]. 张所续,马伯永.  中国国土资源经济. 2019(10)
[5]我国可再生能源替代化石能源的发展现状及问题研究[J]. 安慧昱.  北方经济. 2019(04)



本文编号：3444931