如何解決能源問題是人們當(dāng)下關(guān)注的重點(diǎn)問題,電化學(xué)二次電池是目前研究最為廣泛的儲(chǔ)能元件,它具有簡(jiǎn)單的制備過程與較高的能量轉(zhuǎn)換率。鋰電池作為發(fā)展成熟的二次電池已經(jīng)得到了充分研究,但是,隨著科技發(fā)展與儲(chǔ)能要求的提高,鋰資源的消耗日益劇烈,并且鋰資源的儲(chǔ)量十分有限,難以滿足未來的商業(yè)化需求。所以開發(fā)新型電化學(xué)二次電池是很有意義的。鈉離子電池由于其與鋰離子電池相似的物化性質(zhì)已經(jīng)被視為下一代儲(chǔ)能電池,引起了科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。二次電池性能主要取決其電極材料,過渡金屬化合物由于其較小的體積膨脹與高比容量受到了研究人員的廣泛研究。其中鈷基材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和較高的理論容量得到研究人員的重視。然而在研究過程中人們發(fā)現(xiàn)鈷基材料仍然存在著材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的現(xiàn)象,為了解決這一問題,對(duì)鈷基材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化就十分重要了。空心結(jié)構(gòu)相比于其他材料結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較小的體積變化與較短的反應(yīng)距離,對(duì)于鈷基材料性能的優(yōu)化具有重要意義。與此同時(shí),碳材料的包覆對(duì)于鈷基材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和材料的導(dǎo)電性都有較大程度的提高,這同樣很好的緩解了材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。在此背景下,本文研究了空心鈷基納米材料的制備及其鈉離子電池負(fù)極材料應(yīng)用,本文... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：64 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鈉離子電池工作原理示意圖[10]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-4-1.3鈉離子電池負(fù)極材料研究現(xiàn)狀鈉離子電池由于儲(chǔ)量豐富及與鋰電池相似的性質(zhì)得到了廣泛的研究，其中鈉離子電池負(fù)極材料對(duì)鈉離子的嵌入與脫出是影響電池容量的重要因素。因此，開發(fā)性能優(yōu)異的鈉離子電池負(fù)極材料成為了近年來可充電二次電池的熱點(diǎn)。鈉離子電池的負(fù)極材料主要有碳材料、合金材料以及過渡金屬化合物。1.3.1碳材料在鈉離子電池負(fù)極材料研究起步階段，由于鈉離子電池與鋰電池?fù)碛邢嗨频姆磻?yīng)機(jī)理，科研人員更多關(guān)注的是已經(jīng)發(fā)展成熟的鋰離子電池負(fù)極材料-碳材料。然而，由于鈉離子半徑較大，而石墨材料的層間距較小，這就導(dǎo)致了鈉離子不能夠大量在石墨材料中插入，這就導(dǎo)致了較低的容量[11,12]。為了提升石墨材料的儲(chǔ)鈉性能，研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大石墨的層間距使鈉離子嵌入其中可以很好的提升石墨的儲(chǔ)鈉性能[13-15]。David[16]等人通過控制氧化還原石墨烯的退火溫度和氣體環(huán)境可以有效的改變石墨烯片的有序程度與層間距大校并成功證明了增大層間距可以提高石墨烯儲(chǔ)鈉能力。Wen[17]課題組通過氧化和部分還原的方法制備膨脹石墨，使其層間距增大至4.3，并且仍保留了與石墨類似的長(zhǎng)程有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。通過STM顯示，鈉離子可以可逆地插入并從膨脹的石墨中提取出來。恒電流充放電研究表明，電流密度在20mAg-1時(shí)，膨脹石墨可提供284mAhg-1的高可逆容量，電流密度在100mAg-1時(shí)可保持184mAhg-1的容量，經(jīng)過兩千次循環(huán)后可達(dá)到73.92%的容量保留率。圖1-2石墨材料儲(chǔ)鈉示意圖[17]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-5-與石墨不同，硬碳是一種無定形碳，不具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫下也很難石墨化，具有較高的比容量和較長(zhǎng)的使用壽命，被視為最有潛力的鈉離子電池負(fù)極碳材料，因此受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在2003年，Dahn[18]報(bào)道了葡萄糖炭化得到的硬碳中插入物的情況，并提出了一種叫做紙牌屋的結(jié)構(gòu)模型，鈉離子同時(shí)插入到石墨烯層和納米孔之間，這樣就提高了反應(yīng)的可逆性，容量達(dá)到了300mAhg-1。圖1-3鈉離子填充硬碳的“紙牌屋”模型[18]Bommier[19]等人最近重新研究了這個(gè)模型，他們改變了渦輪層碳納米疇的大小，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷和鈉儲(chǔ)存之間的相關(guān)性。Gotoh[20]等人通過23個(gè)核磁共振波譜分析，闡明了鈉在硬碳中的嵌入機(jī)理。在放電過程中，觀察到+9ppm和20–30ppm兩個(gè)主要峰的存在，如圖所示，這分別對(duì)應(yīng)于鈉離子在錯(cuò)位的石墨烯薄片之間的插入和在納米孔的嵌入。Thomas[21]等人報(bào)道了降低石墨化的粒度和程度有利于提高硬質(zhì)碳的電化學(xué)性能。并利用電子能量損失譜和選區(qū)電子衍射對(duì)鈍化層進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，相對(duì)于Na+/Na，在0.8V下形成Na2CO3并且在較低電位下進(jìn)一步還原成烷基碳酸鈉。與石墨材料相比，上述大多數(shù)碳材料具有更高的可逆比容量。然而，這些純碳材料仍然存在一些問題。比如較低的初始不可逆容量和庫(kù)侖效率，這些問題主要是由于不可逆地形成了表面積依賴的鈍化固體電解質(zhì)界面(SEI)層，導(dǎo)致在隨后的循環(huán)中需要一個(gè)預(yù)鋰化步驟或使用額外的陰極材料來平衡電荷轉(zhuǎn)移。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Ferroelectric Properties and Applications of Hybrid Organic-Inorganic Perovskites[J]. Xin Tong,Zhiming M.Wang.  Journal of Electronic Science and Technology. 2017(04)
[2]Preparation and photocatalytic activities of 3D flower-like CuO nanostructures[J]. 范慶飛,蘭琪,張美麗,范希梅,周祚萬,張朝良.  Journal of Semiconductors. 2016(08)



本文編號(hào)：3315200