In 2 S 3 /C纳米纤维负极材料的制备及其储能性能研究
发布时间：2021-04-09 12:20
硫化铟（In2S3）属于典型的过渡金属硫化物,有希望成为储能领域的备选负极材料。然而,In2S3在电化学储能领域中只有少量报道,且电化学反应机理尚未明确。In2S3在具备高容量的优点的同时,也有其不可忽视的缺点。纯相的In2S3材料在充放电过程中通常伴随着大的体积膨胀,使其电化学性能不够理想,因此,将In2S3与碳基体进行原位复合会是一种可行的改性办法。在这份工作中,首次通过一种简单的静电纺丝方法及随后的退火处理制备了In2S3/C纳米纤维复合材料以改进In2S3的电化学性能。对In2S3/C纳米纤维复合材料进行了一系列测试以表征该材料的各项物理性质,并测试了该材料作为锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池阳极时的电化学性能。主要工作内容包括:...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的结构示意图[8]
湘潭大学硕士学位论文In2S3/C纳米纤维负极材料的制备及其储能性能研究3脱嵌，并伴随着相同摩尔量的电子的移动。锂离子的嵌入和脱嵌过程可具体表现为在充电状态时，锂离子从正极脱出进入电解液，电解液中的锂离子顺着浓度差运动到负极并嵌入其中，同时电子从阳极顺着电路移动到阴极。放电过程则与之相反，以完成化学能与电能的相互转化。值得一提的是，在放电过程中回到正极的锂离子越多，电池的容量也就越高。图1.2锂离子电池工作原理[9]目前锂离子电池正极材料已得到产业化应用的有锰酸锂[10]、磷酸铁锂[11]、三元金属氧化物[12]等，其中三元金属氧化物如镍钴锰三元材料是目前最具优势的正极材料，既结合了镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂材料各自的长处，又能在一定程度上优化各自的短处。锂离子电池的负极材料以石墨材料为主，此外钛酸锂材料也有小批量试用。金属合金和过渡金属氧族化合物等负极材料因其远高于石墨（372mAhg-1）的理论容量而受到关注，但放电过程中电极的体积膨胀会带来容量的衰减[13]。锂离子电池电解液以溶有锂盐的有机溶液为主[14]，目前，常用的的是LiPF6、LiBF4和LiClO4和碳酸酯类有机溶剂。固态电解质是未来电解质发展的趋势，可有效避免漏液、爆炸等安全隐患。隔膜对保证电池安全，实现充放电功能具有重要作用，提高强度以及增加比表面积是今后的研究重点。对隔膜材料进行表面改性处理和薄型化是现在主流的发展趋势[15]。1.3钠离子电池1.3.1钠离子电池概述锂离子电池对新能源技术的发展做出了杰出贡献，然而随着电动汽车等新能源产业的迅速扩张，全球锂资源正面临逐渐枯竭的危机。我国锂资源储量位居全球第四，占全球锂储量的13.2%，然而仍有80%的锂供应依赖进口[16]。为了应对未来将持续扩大的能源需求，寻找可以替代锂?
湘潭大学硕士学位论文In2S3/C纳米纤维负极材料的制备及其储能性能研究6装及废钾处理有极高的要求，实现商业化进程更是不可能一蹴而就。即使钾离子电池有着不可忽视的弱点，但其优势也非常明显，除了钾元素丰富的资源储量外（地壳丰度为2.59%），还主要表现在它的理论性能上。首先，钾有着比钠更低的标准电极电势(-2.94Vvs.K+/K，-2.71Vvs.Na+/Na)，在碳酸丙烯酯（PC）电解液中，其标准电极电势甚至低于锂(-2.88Vvs.K+/K，-2.79Vvs.Li+/Li)，这意味着更高的电池电压[34]。其次，钾离子的路易斯酸度在这三种碱金属离子中是最弱的，形成的溶剂化离子最小，因此钾离子的离子电导率和界面扩散速度要更出色[35]。此外，钾离子的离子半径虽然较大，但却可以可逆地嵌入石墨中，理论比容量达273mAhg-1。钾元素与锂元素和钠元素的区别可参考表1.1。表1.1锂、钠、钾元素的对比[36]元素原子量g/mol离子半径标准电势Vvs.SHE地壳丰度%碳酸盐价格$/tLi6.940.76-3.030.00655000Na22.991.02-2.712.83150K39.11.38-2.942.59890基于钾离子电池特有的优缺点，当下钾离子电池的研究重点主要集中于研发具有高能量密度和优越的电化学稳定性的电极材料。目前已有多种适用于钾离子电池的电极材料得以被开发，如图1.4所示。图1.4钾离子电池电极材料体系[37]
【参考文献】：
期刊论文
[1]钠离子电池：从基础研究到工程化探索[J]. 容晓晖,陆雅翔,戚兴国,周权,孔维和,唐堃,陈立泉,胡勇胜. 储能科学与技术. 2020(02)
[2]钠离子电池正极复合材料Na0.44MnO2/石墨烯的合成与性能（英文）[J]. 张月,欧阳琰,刘黎,夏靖,聂苏,刘稳,王先友. Journal of Central South University. 2019(06)
[3]锂离子全电池研究综述[J]. 孙嘉遥,黄超,郭双桃. 新材料产业. 2019(05)
[4]Template-Free Synthesis of Sb2S3 Hollow Microspheres as Anode Materials for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries[J]. Jianjun Xie,Li Liu,Jing Xia,Yue Zhang,Min Li,Yan Ouyang,Su Nie,Xianyou Wang. Nano-Micro Letters. 2018(01)
[5]锂离子电池及材料发展前瞻——第16届国际锂电会议评述[J]. 张剑波,连芳,高学平,李建刚,范丽珍,何向明. 中国科学:化学. 2012(08)
[6]电池的近期发展与锂离子电池[J]. 陈德钧. 电池. 1996(03)
本文编号：3127611
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的结构示意图[8]
湘潭大学硕士学位论文In2S3/C纳米纤维负极材料的制备及其储能性能研究3脱嵌，并伴随着相同摩尔量的电子的移动。锂离子的嵌入和脱嵌过程可具体表现为在充电状态时，锂离子从正极脱出进入电解液，电解液中的锂离子顺着浓度差运动到负极并嵌入其中，同时电子从阳极顺着电路移动到阴极。放电过程则与之相反，以完成化学能与电能的相互转化。值得一提的是，在放电过程中回到正极的锂离子越多，电池的容量也就越高。图1.2锂离子电池工作原理[9]目前锂离子电池正极材料已得到产业化应用的有锰酸锂[10]、磷酸铁锂[11]、三元金属氧化物[12]等，其中三元金属氧化物如镍钴锰三元材料是目前最具优势的正极材料，既结合了镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂材料各自的长处，又能在一定程度上优化各自的短处。锂离子电池的负极材料以石墨材料为主，此外钛酸锂材料也有小批量试用。金属合金和过渡金属氧族化合物等负极材料因其远高于石墨（372mAhg-1）的理论容量而受到关注，但放电过程中电极的体积膨胀会带来容量的衰减[13]。锂离子电池电解液以溶有锂盐的有机溶液为主[14]，目前，常用的的是LiPF6、LiBF4和LiClO4和碳酸酯类有机溶剂。固态电解质是未来电解质发展的趋势，可有效避免漏液、爆炸等安全隐患。隔膜对保证电池安全，实现充放电功能具有重要作用，提高强度以及增加比表面积是今后的研究重点。对隔膜材料进行表面改性处理和薄型化是现在主流的发展趋势[15]。1.3钠离子电池1.3.1钠离子电池概述锂离子电池对新能源技术的发展做出了杰出贡献，然而随着电动汽车等新能源产业的迅速扩张，全球锂资源正面临逐渐枯竭的危机。我国锂资源储量位居全球第四，占全球锂储量的13.2%，然而仍有80%的锂供应依赖进口[16]。为了应对未来将持续扩大的能源需求，寻找可以替代锂?
湘潭大学硕士学位论文In2S3/C纳米纤维负极材料的制备及其储能性能研究6装及废钾处理有极高的要求，实现商业化进程更是不可能一蹴而就。即使钾离子电池有着不可忽视的弱点，但其优势也非常明显，除了钾元素丰富的资源储量外（地壳丰度为2.59%），还主要表现在它的理论性能上。首先，钾有着比钠更低的标准电极电势(-2.94Vvs.K+/K，-2.71Vvs.Na+/Na)，在碳酸丙烯酯（PC）电解液中，其标准电极电势甚至低于锂(-2.88Vvs.K+/K，-2.79Vvs.Li+/Li)，这意味着更高的电池电压[34]。其次，钾离子的路易斯酸度在这三种碱金属离子中是最弱的，形成的溶剂化离子最小，因此钾离子的离子电导率和界面扩散速度要更出色[35]。此外，钾离子的离子半径虽然较大，但却可以可逆地嵌入石墨中，理论比容量达273mAhg-1。钾元素与锂元素和钠元素的区别可参考表1.1。表1.1锂、钠、钾元素的对比[36]元素原子量g/mol离子半径标准电势Vvs.SHE地壳丰度%碳酸盐价格$/tLi6.940.76-3.030.00655000Na22.991.02-2.712.83150K39.11.38-2.942.59890基于钾离子电池特有的优缺点，当下钾离子电池的研究重点主要集中于研发具有高能量密度和优越的电化学稳定性的电极材料。目前已有多种适用于钾离子电池的电极材料得以被开发，如图1.4所示。图1.4钾离子电池电极材料体系[37]
【参考文献】：
期刊论文
[1]钠离子电池：从基础研究到工程化探索[J]. 容晓晖,陆雅翔,戚兴国,周权,孔维和,唐堃,陈立泉,胡勇胜. 储能科学与技术. 2020(02)
[2]钠离子电池正极复合材料Na0.44MnO2/石墨烯的合成与性能（英文）[J]. 张月,欧阳琰,刘黎,夏靖,聂苏,刘稳,王先友. Journal of Central South University. 2019(06)
[3]锂离子全电池研究综述[J]. 孙嘉遥,黄超,郭双桃. 新材料产业. 2019(05)
[4]Template-Free Synthesis of Sb2S3 Hollow Microspheres as Anode Materials for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries[J]. Jianjun Xie,Li Liu,Jing Xia,Yue Zhang,Min Li,Yan Ouyang,Su Nie,Xianyou Wang. Nano-Micro Letters. 2018(01)
[5]锂离子电池及材料发展前瞻——第16届国际锂电会议评述[J]. 张剑波,连芳,高学平,李建刚,范丽珍,何向明. 中国科学:化学. 2012(08)
[6]电池的近期发展与锂离子电池[J]. 陈德钧. 电池. 1996(03)
本文编号：3127611
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