發(fā)布時間：2020-05-14 04:07

【摘要】：鋰離子電池是一種可循環(huán)使用的高效潔凈新能源,是綜合緩解能源、資源和環(huán)境問題的有效技術途徑,目前已廣泛用作各種電子產品的工作電源和移動式裝置的動力電池。然而,鋰元素在地殼中的豐度僅為0.0006%,資源和價格問題成為鋰離子電池大規(guī)模應用的最大障礙。為此,尋找和研發(fā)下一代綜合效能優(yōu)異的儲能電池新體系迫在眉睫。鈉元素作為與鋰同一主族的元素,電化學性質非常相近,并且儲量豐富,地殼豐度約為2.64%,成本也更為低廉,因此用鈉替代鋰開發(fā)鈉離子電池具有非常廣闊的應用前景,而尋找和開發(fā)合適的電極材料成為鈉離子電池研究的主要任務之一。近年來,隨著聚陰離子材料磷酸鐵鋰(LiFePO_4)作為動力鋰離子電池正極材料成功實現(xiàn)商業(yè)應用,人們對鈉離子電池正極材料的研究也集中在聚陰離子型材料。在眾多聚陰離子型化合物中,SO_4~(2-)具有更高的電負性和更強的誘導效應,因此硫酸鹽材料的工作電壓更高,從而受到更加廣泛地關注。Na_2Fe_2(SO_4)_3作為鈉離子電池正極材料,相比于LiFePO_4材料,充放電平臺更高(3.8 V),并且其自身結構所具有的三維鈉離子通道使其擁有更高的離子導電率。然而,Na_2Fe_2(SO_4)_3材料低的電子導電率和鈉離子擴散系數(shù)等缺點限制了它的實際應用。在本論文中,圍繞Na_2Fe_2(SO_4)_3以上缺點,我們有針對性的進行了研究,分別制備得到還原氧化石墨烯包覆硫酸亞鐵鈉(Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO)和稻殼炭負載硫酸亞鐵鈉(Na_2Fe_2(SO_4)_3@RHC)復合材料。氧化石墨烯作為一種二維碳材料,通過與Na_2Fe_2(SO_4)_3復合,能夠完整地包覆在材料表面,提高材料的電導率,有利于電子傳輸。同時,還原氧化石墨烯包覆后隔絕了Na_2Fe_2(SO_4)_3材料與電解液之間的接觸,抑制了二者之間的副反應。通過直流電導率測試表明,復合材料的電導率由2.0×10~(-15) S cm~(-1)提高到1.65×10~-66 S cm~(-1),在0.1 C(1 C=120 mAh g~(-1))倍率下經過100次循環(huán)后,Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO材料的比容量保持率達到89%,而原始的Na_2Fe_2(SO_4)_3材料僅為67%。Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO材料在5 C倍率下依然能夠獲得66 mAh g~(-1)的容量,而原始的Na_2Fe_2(SO_4)_3材料容量僅為16 mAh g~(-1)。EIS測試表明材料的動力學性能得到了明顯提升,電荷轉移電阻由1551Ω減小到了701.2Ω。GITT測試表明鈉離子擴散系數(shù)提高了10多倍。通過還原氧化石墨烯包覆提高了材料的電導率和動力學性能,并且抑制了材料與電解液之間的副反應,因此獲得了更加優(yōu)異的電化學性能。通過原位合成,我們制備得到Na_2Fe_2(SO_4)_3@RHC復合材料。經過RHC復合后,材料的電化學性能得到了提升,首次充電容量達到123.9 mAh g~(-1),循環(huán)伏安(CV)測試發(fā)現(xiàn)材料的氧化還原峰之間的極化得到減小,電化學阻抗譜(EIS)測試發(fā)現(xiàn)不僅材料表面膜電阻減小,而且電荷轉移電阻也明顯減小,表明RHC復合提高了材料的動力學性能,因而提高了材料的電化學性能。同時RHC作為一種生物質炭,將其應用在鈉離子電池中,能夠有效的降低成本,實現(xiàn)大規(guī)模儲能。
【圖文】：

1 引言化石燃料仍然是我們的主要電力供應資源。然而，化石燃料的廣泛使用大量的二氧化碳是全球變暖的主要原因。因此，太陽能，風能等可再生能發(fā)和利用迫在眉睫。正常運行的電網需要穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)電，而太陽能和風境因素（如天氣，季節(jié)和地點等）比較依賴，不適合現(xiàn)代電網的應用。為這個問題，電化學儲能（EES）技術引起人們的重視。鋰離子電池作為儲的“新貴”，具有高的能量密度和超長的循環(huán)壽命，此外其較高工作電壓境污染小，已成為近年來人們研究的重點。在實際應用中，鋰離子電池也應用在手機、電腦、數(shù)碼產品等，同時也帶動了新能源汽車和儲能等領域1-3]。圖 1.1 顯示了可再生能源發(fā)電圖[4]，從中可以看出 EES 和不同電子電力所需的能源車輛運輸均影響者我們的日常生活。

圖 1.2 室溫鈉離子電池工作原理示意圖ure 1.2 The working principle of room-temperature sodium-ion bat離子電池正極材料周知，我們要提高電池的能量密度、安全性以及循環(huán)壽命，正其關鍵因素。因此，人們一直致力于改善和提升正極材料的性型的正極材料。理想的正極材料，，應具備以下優(yōu)點[19-20]：）具有較高的比容量；）較高的氧化還原電位；）穩(wěn)定的晶體結構，允許鈉離子嵌入和脫出；）良好的電子和離子導電率；）資源儲量豐富、制備簡單，成本低，環(huán)境友好等。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM912

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 張寧;劉永暢;陳程成;陶占良;陳軍;;鈉離子電池電極材料研究進展[J];無機化學學報;2015年09期

2 李慧;吳川;吳鋒;白瑩;;鈉離子電池:儲能電池的一種新選擇[J];化學學報;2014年01期

3 馬璨;呂迎春;李泓;;鋰離子電池基礎科學問題(VII)——正極材料[J];儲能科學與技術;2014年01期

4 施志聰,楊勇;聚陰離子型鋰離子電池正極材料研究進展[J];化學進展;2005年04期

相關博士學位論文 前1條

1 閆霄;鋰離子電池負極材料TiO_2的制備及性質研究[D];吉林大學;2014年

本文編號：2662756