碱土金属钒酸盐电极材料的可控制备、储能性能与机理

发布时间：2025-03-15 03:28

　　钠离子电池、钙离子电池等新型金属离子电池的发展对于缓解锂资源短缺、克服锂离子电池技术瓶颈具有重要意义。高性能电极材料的缺乏是新型储能器件发展面临的主要难题。本文围绕碱土金属钒酸盐电极材料,从材料的制备、表征、形成机制、电化学性能及储能机理等方面深入研究了多种新型碱土金属钒酸盐分别在钠离子电池、钙离子电池及锂离子电池中的应用前景。揭示了碱土金属离子分别在钠离子电池负极和钙离子电池正极中的两种不同优化机制,为高性能电极材料的开发及新型金属离子电池的发展奠定了一定科学基础。主要研究成果如下:（1）基于水热合成等技术,合成了多种新型碱土金属钒酸盐电极材料,包括CaV₄O₉纳米线、CaV₄O₉微米花、SrV₄O₉微米花、Mg_0.25V₂O₅·H₂O微米片、Mg_0.35V₂O₅·H₂O纳米带、Ca...

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【部分图文】：

图1-3(a)钠离子电池示意图;(b)1975年至2014年期间关于钠电池的文献报道数量变化趋势[7]

钠离子电池是最先得到广泛关注的新型金属离子电池体系。钠资源在地壳中非常丰富(图1-1),且钠与锂同处碱金属一族,具有相似的物理化学性质。因此,用钠离子取代锂离子作为载流子所得到的钠离子电池,具有与锂离子电池相似的电池结构与电化学反应过程(图1-3a)[7,44]。由于其相似性,....

图1-4(a)目前已报道的主要的钠离子电池正极的电压与比容量关系图;(b)目前已报道的主要的钠离子电池负极的电压与比容量关系图[7]

而钠离子电池负极材料主要包括硬碳、钛基化合物、基于转换反应的过渡金属化合物和基于合金化反应的相关单质或金属间化合物(图1-4b)。硬碳虽然被认为是最具商业化前景的钠电负极材料,但其实际应用仍然受到倍率性能差,以及由于嵌钠电位过低而存在安全隐患等限制[57,58];钛基化合物作为....

图1-5不同金属负极的容量及还原电势[21]

钾离子电池则是利用半径更大的钾离子取代锂离子作为载流子,电池结构与电化学反应过程与锂离子电池和钠离子电池相似。钾离子电池受到关注的主要原因是,一方面地壳中钾的资源也非常丰富,丰富度与钠相近（图1-1）;另一方面,相比于钠离子电池,由于钾的还原电势-2.93Vvs.标准氢电极（....

图1-6目前已报道的钾离子电池正负极的电压与比容量关系图[69]

2015年,俄勒冈州立大学的XiuleiJi课题组在国际上报道了第一个关于钾离子电池的工作[14],他们发现钾离子可有效嵌入到石墨的层状结构中,形成KC8的结构,对应比容量达到273mAhg-1。此后,关于钾离子电池的研究被陆续报道。2016年,武汉理工大学麦立强课题组报道....

本文编号：4035085