鈉離子電池較其他電池體系具有資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)勢,在大規(guī)模能源儲存領(lǐng)域被視為是具有相當潛力的二次電池體系。推動鈉離子電池進一步發(fā)展的關(guān)鍵在于開發(fā)高性能的電極材料。本論文對用于鈉離子電池負極材料的CoSe₂/碳納米纖維（CoSe₂@CNFs）復合材料開展了研究。主要研究內(nèi)容和所獲得的結(jié)果如下:（1）采用靜電紡絲法并結(jié)合熱處理碳化工藝,制備了CoSe₂@CNFs的前驅(qū)體Co@CNFs復合材料,研究了熱處理工藝對Co@CNFs形貌及結(jié)構(gòu)影響。通過調(diào)控熱處理工藝參數(shù),優(yōu)化了Co納米顆粒的尺寸。實驗發(fā)現(xiàn),Co納米顆粒隨機鑲嵌在碳納米纖維基質(zhì)內(nèi),當碳化時間為1 h時,Co₁@CNFs復合材料中的Co納米顆粒尺寸在5-20 nm,材料呈現(xiàn)有最佳力學特性的柔性三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實驗還發(fā)現(xiàn),靜電紡絲源物質(zhì)中的氮元素駐留在所形成的碳納米纖維中,實現(xiàn)了碳纖維制備過程中的原位氮摻雜。（2）將前驅(qū)體材料Co₁@CNFs和硒粉混合燒結(jié)制備了CoSe₂@CNFs復合材料,研究... 

【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

大功率鈉離子電池在儲能系統(tǒng)中的應用示意圖[4]

蘭州大學碩士學位論文CoSe2/碳納米纖維復合材料的設(shè)計、制備及其儲鈉性能2此，在大規(guī)模儲能系統(tǒng)應用中，鈉離子電池被認為是鋰離子電池最具潛力的替代對象（圖1-1），不僅成本低，還具有功率密度高、全氣候適應性和電池可回收性強的優(yōu)勢[4]，而且，能夠滿足能源存儲技術(shù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的需求。1.1鈉離子電池1.1.1工作原理早在二十世紀70年代后期，鈉離子電池和鋰離子電池幾乎同時引起了科研工作者的注意[5,6]。然而，鋰離子電池的快速商業(yè)化轉(zhuǎn)移了人們對鈉離子電池的注意力[7]。直到2000年，Stevens和Dahn[8]發(fā)現(xiàn)了Na+可以通過電化學反應嵌入到硬碳中，這成為鈉離子電池復興的重要轉(zhuǎn)折點，鈉離子電池再次受到科研工作者的關(guān)注。如圖1-2所示，原理上鈉離子電池和鋰離子電池是相似的，充放電過程中，鈉鹽電解液可充分浸潤電池電極，Na+借助電解液在電池的正負極之間運動。充電時，Na+從高壓正極脫出，通過電解液遷移擴散并嵌入低壓負極。一般而言，正極工作電壓（相對Na/Na+）約為3.0V或者更高，理想的負極工作電壓（相對Na/Na+）低于1.0V。從熱力學角度上講，充電時電子通過外電路從正極到負極為“上坡”過程，放電時氧化還原對的最低自由能使“下坡”過程發(fā)生，電子從負極釋放并通過外電路傳輸，從而為負載提供電能[9]。圖1-2鈉離子電池工作原理示意圖[10]。

蘭州大學碩士學位論文CoSe2/碳納米纖維復合材料的設(shè)計、制備及其儲鈉性能4設(shè)計并制備納米復合材料是獲得高性能鈉離子電池的有效策略。1.2鈉離子電池負極研究現(xiàn)狀圖1-3鋰離子電池材料的不同反應機理[21]。與鋰金屬比較，鈉金屬穩(wěn)定性更差，與大多數(shù)電解質(zhì)可形成不穩(wěn)定的鈍化層，不可直接用于電池負極。因此，迫切需要尋找電壓窗口合適、可逆性好和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鈉離子電池負極材料[22]。鈉離子電池負極存儲機理與鋰離子電池相似，所以，很多用于鋰離子電池的負極材料被直接用于鈉離子電池。與電荷插入到鋰離子電池負極材料中的情況相似，將Na+嵌入負極材料的過程分為插層反應、合金化反應和轉(zhuǎn)化反應。圖1-3給出了清晰的說明，示意了這三種電荷嵌入機制及其相應的結(jié)構(gòu)變化。根據(jù)上述電荷嵌入機理，我們可將鈉離子電池負極材料分為五類：（1）基于插層反應的碳材料；（2）基于插層反應的鈦基化合物；（3）基于合金化反應的負極材料；（4）基于轉(zhuǎn)換反應的負極材料；（5）有機化合物。如圖1-4所示，迄今已開發(fā)出基于這些材料的許多納米復合材料作為鈉離子電池的負極材料[21]。1.2.1插層反應負極材料基于插層反應的負極材料主要包括碳材料和鈦基化合物。迄今為止，許多碳材料，例如硬碳、非晶碳、碳納米管、碳納米纖維和石墨烯等被證實具有鈉存儲活性[23]，證明了碳材料作為負極材料在熱力學上是可行的[24-27]。Na+插入碳材料的孔隙或者層間時，通過氧化還原反應與碳材料發(fā)生作用[28]，Na+是以NaxC6（0.05<x<0.5）形式存在[20]。具體來講，Na+插入石墨基負極形成NaC70，插入焦炭、乙炔黑負極分別形成NaC30和NaC15。


本文編號：3073217