钾离子电池碳基电极材料制备及储钾性能与机制研究

发布时间：2021-09-03 02:55

　　类似于金属锂,钾可以与石墨形成插层化合物（KC8）,因此石墨可用于钾离子电池负极材料,并具有较高的理论容量（279 mAhg-1）及稳定的嵌钾电位和平台。然而,由于石墨在嵌钾过程中产生60%的体积膨胀,使得其循环稳定性及倍率性能较差。为了提升电极材料比容量、循环及倍率性能,我们对钾离子电池碳基电极材料进行结构调控,从而使得其综合电化学性能得到显著提升和改善。主要研究内容为:（1）增加碳材料储钾活性位点策略提升碳材料的储钾容量。采用熔盐辅助方法,通过调整碳的（002）晶面取向,制备了高取向、具有丰富边缘活性位的纳米碳纤维。所获得的碳纳米纤维的（002）晶面垂直于纤维方向,因此暴露了更多的储钾活性位点,以吸附K并缩短K的扩散距离。非原位表征及电化学研究证明,取向调控显著提高了碳纳米纤维的储钾性能。在100 mA g-1电流密度下,循环500次后,放电比容量维持在252.8 mAh g-1。在1000 mA g-1电流密度下,循环1200次后,循环容量为181.5 mAhg-1。此外,该碳纳米纤维用于钾离子混合电容器也展现了优异电化学性能,在2000 mA g-1电流密度下,10000次循环... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：122 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－１钾离子电池工作原理示意图??

４Ｍ〇Ｓ２插??层化合物，放电平台约１．０６ＶｖｓＫ＋／Ｋ。在２０ｍＡｇ—１电流密度下稳定循环２００次??后，容量稳定在６５．４１１＾１＾＿１，接近其理论容量６７〇＾１１§＿１［２（）］。??＾?Ｋｒｄ?Ｉ＊＊?Ｎ－ＰＩＫ?ＮＦ％??＊￣：丨＿?ｒｅｄ?Ｐ＠Ｎ－ＰＨＣＮＦｓ??＜§?ｘｏｏ－??Ｉ?咖丨?２Ａｇ－？■嶋????????ｕ?２００－??戈?０?．?．?????０?０?２００?４００?６０Ｓ）?Ｓ？０??Ｃｙｃｌｅ?Ｎｕｍｂｅｒ??图１－３氮掺杂多孔碳纳米纤维支撑的红磷柔性电极制备及储钾性能：（ａ）制备过程示意图，??（ｂ）?ＴＥＭ图片，（ｃ）储钾性能１２１１??钾离子电池合金型负极材料有Ｓｂ、Ｐ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｎ３Ｐ４等。其中，Ｐ与Ｋ在??嵌钾过程中通过合金反应形成Ｋ４Ｐ３，对应理论容量为１１５０?ｍＡｈ?ｇ＿１余彦课??题组利用电纺丝技术制备了氮掺杂多孔碳纳米纤维支撑的红磷柔性电极，展现了??高倍率、长寿命储钾性能（如图１－３所示），在２０００ｍＡｇＨ电流密度在稳定循环??８００次后，容量稳定在４６５?ｍＡｈ?［２１］。金属Ｓｎ也可作为钾离子电池合金型负极??材料。由于嵌钾过程中形成ＫＳｎ相，所以容量较低，仅为２２６?ｍＡｈｇＨ，低于石??墨的理论容量２７９ｍＡｈｇＨ［２２－２３］。金属Ｂｉ可作为高倍率型合金负极，理论容量为??３８５?ｍＡｈｇ—１?（对应嵌钾产物Ｋ３Ｂｉ）。由于较高的理论容量，嵌钾后体积膨胀也较??大，约为４０６％?［２４－２５】。??与锂离子电池转换型负极材料类似，钾离子电池转换型负极材料也包括氧化??４??

?第１章绪?论???Ｊｉ团队报道，相比于石墨，石墨化程度较低的软碳具有更优异的循环稳定性和倍??率性能，如图１－５所示。然而，由于软碳烧结温度不足以让其石墨化，所以获得??的材料（相比于石墨）有较低的密度（１．６ｖｓ２．３ｇＣｎＴ３）和较大的（００２）面间距??（０．３５５?ｖｓ０．３３５?ｎｍ）。这些特质都有利于软碳具有更多的储钾活性位点以至于储??钾性能的提升。然而，由于石墨化程度较低，导致软碳材料的充放电平台不明显??（是斜线）。较多的材料缺陷也导致软碳材料较低的首次库伦效率【１９］。??Ａ?ｒ￣ｉ?Ｂｌ５ｒ?［??｜＾ｉ?Ｉ?—?＞－１°??Ｉ?｜０．５．??￡?Ｇｒａｐｈｉｔｅ?｜???＾＾＾—???Ｐｏｔａｓｓｉａｔｉｏｎ??１０?２０?３０?４０?５０?６０?７０?〇〇〇?１００?２００?３００?４００?５００??如（Ｄｅｇｒｅｅ）?Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｍＡｈ／ｇ》??Ｃ???Ｄ?４００Ｔ－??．．：????二咖??＿?ｃ?Ｇｒａｐｈｉｔｅ?妄??言?ｊ－ｔｔｎ?？?Ｓｏｆｔ?ｃａｒｂｏｎ?５?ｏｎ??ｔ?３００?０１０?ｃｍ?＼?３Ｗ＞?８０??一?’？?ｍ?｜ｆ．?—?Ｉ?ａ??￡?２Ｃ?ｉ?６０?ｉ??Ｉ?，?咖—，?２?ｍ＿４０２??ｗ?ｃ?Ｓ＇＊??Ｉ?１〇°－?：ｖ：Ｋ，?ｌ１００－?．２〇￣??〇．?????????，?〇??—，—，—，—，—，???，???，?〇??０?１０?２０?３０?４０?０?１０?２０?３０?４０?５０??Ｃ?ｙｒｌ


本文编号：3380258