【摘要】：伴隨便攜式可穿戴電子產(chǎn)品行業(yè)的快速發(fā)展,柔性儲能裝置吸引廣泛關(guān)注。其中,鈉離子電池由于使用的鈉鹽儲量豐富,價格低廉優(yōu)勢,且能量密度可與磷酸鐵鋰電池相媲美,有望成為下一代儲能體系。電極材料作為電池關(guān)鍵部件很大程度上決定電池的性能和成本。因此,設(shè)計和制備柔性電池材料對推動儲能體系發(fā)展具有重要研究意義。鈦基材料因其獨特結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鈉離子可逆脫嵌,且種類豐富、資源廣泛、環(huán)境友好等特點,已成為鈉離子電池重要負極材料。然而,由于寬帶隙造成低導電性,大表面能導致層狀重堆積,以及鈉離子脫嵌引起體積形變等問題,鈦基材料的儲鈉動力學受到極大限制。因此,本論文以鈦基材料為研究主體,圍繞提高儲鈉動力學的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提出限域轉(zhuǎn)化策略,制備出多種柔性鈦基電極材料,并用于鈉離子儲存。具體研究內(nèi)容如下:(1)通過真空抽濾法結(jié)合水熱法制備了由超薄鈦酸鈉(NTO)層和還原氧化石墨烯(rGO)層組成的柔性薄膜。NTO層限域在rGO層中,并與rGO層組裝成夾層三明治結(jié)構(gòu)。這種三明治結(jié)構(gòu)能有效地阻止NTO層自堆積,同時加快電子傳遞和鈉離子傳導。柔性NTO/rGO膜具有良好的機械性和柔性,直接作為鈉離子電池負極材料。柔性NTO/rGO電極在5 A g~(-1)電流下,經(jīng)過10000圈循環(huán)后,容量維持72 mA h g~(-1),表現(xiàn)出超高循環(huán)穩(wěn)定性。同時,柔性NTO/rGO電極也具有優(yōu)異的倍率性能,在5 A g~(-1)的電流密度下,容量還有97 mA h g~(-1)。(2)提出采用靜電紡絲法結(jié)合水熱法制備出柔性鈦酸鈉/多孔碳(NTO/PC)纖維。在水熱反應(yīng)下,NTO片層在堿溶液轉(zhuǎn)化生成同時,碳纖維被刻蝕形成表面的孔洞和內(nèi)部的孔道組成分級多孔結(jié)構(gòu),能有效提高電解液浸潤性和離子快速傳遞。NTO/PC纖維薄膜經(jīng)過彎曲、折疊和扭曲后,仍可以恢復(fù)原形并保持完整,展現(xiàn)良好柔韌性和機械性。柔性NTO/PC電極在大電流密度12.8 A g~(-1)下,平均比容量保持108.5 mA h g~(-1),可逆容量恢復(fù)平均保持率為94.2%,表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。同時,柔性NTO/PC電極展現(xiàn)出高循環(huán)壽命,在10 A g~(-1)電流下,循環(huán)7000圈后,比容量維持83 mA h g~(-1)。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

能源的利用在人類的衣食住行等方面得到充分體現(xiàn)[1]用的能源主要包含太陽輻射能、化石燃料（煤、天然氣、石油、核能、以及生物質(zhì)能等[2, 3]。傳統(tǒng)化石燃料由于成熟的開采和目前最依賴的能源。但伴隨傳統(tǒng)化石類燃料的不可再生，以及題，清潔可再生能源的發(fā)展引起世界各國的廣泛關(guān)注。然而，能源的開發(fā)都需要將所產(chǎn)生的能量進行儲存[4, 5]。伴隨智能電高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低供電成本，促進可再生能源的式主要包含物理儲能和化學儲能兩種方式。其中，電化學儲能其儲能的件主要有：鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器、以及子電池由于具有能量密度高、充電時間短、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，無人機等領(lǐng)域應(yīng)用逐漸變得廣泛。然而，有限鋰資源儲存和分將限制鋰離子電池未來的大規(guī)模儲能應(yīng)用[10]。因此，發(fā)展新型尤為重要。

圖 1-3 鈉離子電池體系Figure 1-3 Sodium ion batteries system由于具有較大的離子半徑，相對鋰離子而言，在嵌入晶體結(jié)構(gòu)擇具有適合晶格間距和應(yīng)力大小的鈉離子電池電極材料更加嚴前研究的鈉離子電池正/負極材料的比容量和電壓窗口對比圖。料的電壓平臺要求較高，而負極材料的電壓平臺要求則對應(yīng)較極和負極材料的容量相差較大。在實際應(yīng)用的過程中，選擇合來組裝鈉離子電池尤為重要。因此，對電極材料研究具有重要

圖 1-3 鈉離子電池體系Figure 1-3 Sodium ion batteries system離子由于具有較大的離子半徑，相對鋰離子而言，在嵌入晶體結(jié)構(gòu)過程中此選擇具有適合晶格間距和應(yīng)力大小的鈉離子電池電極材料更加嚴格。示目前研究的鈉離子電池正/負極材料的比容量和電壓窗口對比圖。從圖中極材料的電壓平臺要求較高，而負極材料的電壓平臺要求則對應(yīng)較低。同的正極和負極材料的容量相差較大。在實際應(yīng)用的過程中，選擇合適的正材料來組裝鈉離子電池尤為重要。因此，對電極材料研究具有重要意義。

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