近年來,隨著新能源發(fā)電技術(shù)的日趨成熟和快速發(fā)展,開發(fā)大規(guī)模、高能量密度廉價儲能系統(tǒng)成為實現(xiàn)大規(guī)模新能源電力穩(wěn)定并網(wǎng)使用首要解決的問題。鋰-硫電池由于其高能量密度、高比容量和低成本而備受關(guān)注,成為大規(guī)模高能量密度儲能系統(tǒng)潛在的重要選擇之一。鈉離子電池因其豐富的鈉資源,成為開發(fā)廉價大規(guī)模儲能系統(tǒng)中一個重要選擇。但由于硫正極導(dǎo)電性差、體積膨脹嚴(yán)重、在充放電過程中會形成可溶性多硫化鋰,使得電池性能衰減嚴(yán)重。同時,由于鈉離子的離子半徑大于鋰離子,使得已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料無法應(yīng)用鈉離子電池,所以尋找合適的負(fù)極材料是開發(fā)鈉離子電池的首要任務(wù)。為了解決鋰-硫電池和鈉離子電池目前存在的主要問題,設(shè)計和開發(fā)高性能的納米結(jié)構(gòu)儲能材料成為目前重要的研究領(lǐng)域。我國鎢資源儲備豐富,擁有重要的資源和價格優(yōu)勢,而金屬氮化物和硫化物又具有較好的導(dǎo)電性,因此,在我國探究鎢基納米機構(gòu)儲能材料的設(shè)計、開發(fā)和在鋰-硫電池和鈉離子電池中的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義和使用價值�；谏鲜霰尘�,本文擬通過水熱反應(yīng)輔助的策略設(shè)計開發(fā)了一系列氮化鎢和二硫化鎢納米棒、納米泡沫塊和微米球,具體研究成果如下:(1)為了提高鋰-硫電池中硫的利用率,設(shè)計了三種不同厚度的三維氮化鎢(WN)介孔泡沫塊以在孔隙空間內(nèi)錨定可溶性Li_2S_6和Li_2S_4。同時,通過密度泛函理論計算和實驗研究,系統(tǒng)地研究了WN介孔泡沫塊對多硫化物的化學(xué)吸附行為和作為有效載體的能力。理論計算表明,WN與可溶性多硫化物(Li_2S_8Li_2S_6Li_2S_4)之間的化學(xué)吸附強度逐漸降低,而WN與不溶性Li_2S_2/Li_2S之間的相互作用則顯示出高達3 eV的化學(xué)吸附強度。電化學(xué)測量結(jié)果則進一步驗證了理論計算的結(jié)果。所獲得的最厚的WN泡沫塊展現(xiàn)出最為優(yōu)越的固硫效果,而利用其作為正極載體組合的鋰-硫電池同樣也展現(xiàn)最佳的倍率性能(在0.5 C和5 C時分別為1090和510 mAh g~(-1)),具有最高的初始庫侖效率90.5%。此外,即使在2 C的電流密度下進行500次循環(huán),仍保持358 mAh g~(-1)的可逆容量和接近100%高庫侖效率。以上研究結(jié)表明,三維氮化鎢(WN)介孔泡沫塊是有效的硫載體,在理論計算的指導(dǎo)下,通過合理設(shè)計并構(gòu)建有效固硫的納米結(jié)構(gòu)材料是開發(fā)高性能鋰-硫電池的正確研究策略。(2)為開發(fā)高性能的鈉離子電池負(fù)極材料,本文設(shè)計并成功制備了一系列納米棒、納米塊和微米球等不同形貌結(jié)構(gòu)的硫化鎢,相比于WS_2納米塊和WS_2微米球,WS_2納米棒比表面積更大、結(jié)晶性更好,展現(xiàn)了更好的儲鈉性能。為進一步提升WS_2的導(dǎo)電性同時緩解充放電過程中巨大體積變化,通過冷凍干燥法,在WS_2納米棒表面包裹上一層rGO,有效地提升其循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,使其應(yīng)用于鈉離子電池和鋰離子電池負(fù)極材料時,均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能,在500 mA g~(-1)下循環(huán)500圈,其儲鈉放電容量仍保持在65.9 mAh g~(-1),在1000 mAh g~(-1)下循環(huán)500圈,其儲鋰放電容量可保持在288.3 mAh g~(-1)。
【學(xué)位單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;TM912
【部分圖文】：

吸脫附曲線對比圖（c）和'*比表面積對比圖（d）18

南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 多孔氮化鎢納米塊作為限硫載體的研究圖 （a）、（b）分別為各 前驅(qū)體及對應(yīng) 的 ) 比對圖。通過 ) 圖可看出，前期水熱溫度的變化，只影響了材料的微觀形貌，對于材料的晶體結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生影響。同時只要控制氮化條件相同，最終得到的 晶體結(jié)構(gòu)也能保持一致。圖 （c）和（d）分別為各 的吸附-脫附等溫線及 '* 比表面積值，隨著 - , - , - 納米片厚度的增加，材料的 '* 比表面積逐漸減少，分別為 , 和 m g-。圖 （a）為 - 的 f 譜圖，擬合后在 e 和 e 的峰分別對應(yīng)和+的 f 軌道，鎢元素價態(tài)偏高，這說明制備的 材料是“富氮”的狀態(tài)，有利于進一步提高材料的導(dǎo)電性。圖 （b）為初始 - 和浸泡在多硫化鋰溶液中 h 的 -的 全譜圖，對比發(fā)現(xiàn)后者多了硫的峰，這也驗證了 - 對于可溶性的多硫化鋰具有較好的吸附作用。

- 的 - - * 圖（a）， % - 的 * 圖（b），對應(yīng)的 （c）、 （d）、 - 中元素分布的重疊圖（f）確定熔融擴散法制備得到的 % - 復(fù)合材料中 含量的占比，進行熱如圖 所示。在 ℃時，由于硫的蒸發(fā)，導(dǎo)致材料有 %的質(zhì)量損失法很好地將 wt%含量的硫幾乎全部限制在 - 材料內(nèi)。

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本文編號：2833485