本文關鍵詞：硬碳材料合成及其在鈉離子電池負極中的應用研究

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【摘要】：當今人類社會面臨能源危機、環(huán)境污染等問題,太陽能、風能等清潔能源太過依賴于自然條件,具有不穩(wěn)定的特點,其實際應用則需要一個安全可靠的能量存儲系統(tǒng)。電化學儲能在清潔能源的儲存和利用上起到了很重要的作用,其中鈉離子電池是最有希望應用于電化學規(guī)模儲能的技術之一,而電極材料的研究是鈉離子電池研究的關鍵。鈉離子電池負極材料的主要研究方向之一是硬碳材料,為了尋求高比能量的硬碳負極材料,本文分別以生物質柚子皮和交聯(lián)網(wǎng)絡狀聚吡咯為前驅體,系統(tǒng)研究了磷酸活化、材料比表面積和粘結劑等因素對硬碳材料儲鈉性能的影響。主要研究內容與結果如下:首先,本文以生物質柚子皮為前驅體,通過活化和熱解的方法制備硬碳材料。磷酸活化不僅可以在硬碳材料上制造出豐富的孔結構,還能夠在硬碳材料表面引入大量的官能團。結果表明,700oC熱解磷酸活化的柚子皮成功得到了高比容量的硬碳材料。在200 mA g-1的電流密度下,循環(huán)220圈之后,容量仍然保持在了181 mAh g-1的可逆比容量,效率在99%以上,容量保持率在84.6%左右,表現(xiàn)出優(yōu)秀的循環(huán)性能,在5 A g-1的大電流充放電的條件下,容量仍然有71 mAh g-1的可逆比容量。磷酸活化和熱解柚子皮成功得到了一種低成本、大批量制備高性能鈉離子電池負極材料的方法。其次,為了研究材料的比表面積與儲鈉性能之間的關系,我們以交聯(lián)網(wǎng)絡狀的聚吡咯為前驅體,以KOH為活化劑,制備了不同比表面積的硬碳材料。研究表明,隨著比表面積的增大,材料的首次效率隨著比表面積的增加而先增大后減小,只有合適的比表面積才會使材料的儲鈉性能達到最佳。本工作中,當KOH與前驅體的質量比為0.5時,材料的首次效率最大可達46.3%,初始充電比容量可達299.3 mAh g-1。不同的粘結劑也會影響到同一種材料的儲鈉性能的發(fā)揮,我們系統(tǒng)研究了CMC、SA、PAA-Na和PVDF四種粘結劑對應的電極片的儲鈉性能。PAA-Na作為粘結劑所表現(xiàn)出來的電化學性能最佳,首次效率可達65.7%,初始可逆比容量可達343.6 mAh g-1(50 mA g-1的電流密度),在大電流密度下(3 A g-1電流密度)可達155 mAh g-1。SA作為粘結劑時,電極片的首次效率可達51.6%,在大電流密度下可逆比容量與PAA-Na的粘結劑相當,循環(huán)125圈之后,材料的可逆比容量可達200 mA g-1。SA主要從海藻中提取出來,其來源廣泛、原料低廉、可工業(yè)化生產,因此,粘結劑SA可以作為鈉離子電池產業(yè)化的一種很有前途的粘結劑。硬碳材料可逆比容量高、電壓平臺低,安全可靠等優(yōu)點使之作為鈉離子電池負極材料很有希望。但對于硬碳材料儲鈉的機理和方式還需進一步研究,其實際應用應用也存在一些困難。相信隨著人們不斷的研究之后,硬碳材料必將走上實際應用的舞臺。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM912

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本文編號：1272442