硬碳是最具有應用價值的鈉離子電池(SIBs)負極材料,要想實現(xiàn)鈉離子電池的大規(guī)模商業(yè)應用,還需要找到合適的前驅體和制備方法,實現(xiàn)較高的首次充放電效率和進一步提高循環(huán)性能。本文選用價格低廉、來源豐富的生物質松果作為前驅體,通過對碳化溫度、雜質含量、粒徑大小等制備條件的精確控制,得到了電化學性能優(yōu)異的鈉離子電池松果硬碳(PHC)負極材料。本論文具體研究內容和成果如下:(1)本論文首次使用資源豐富的生物質松果通過兩步碳化法合成了硬碳負極材料。采用X射線衍射分析(XRD)、拉曼光譜分析(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨掃描透射電子顯微鏡(HRTEM)和N_2吸附脫附等溫曲線方法研究了松果硬碳的微觀結構。采用恒電流充放電、循環(huán)伏安(CV)和電化學交流阻抗(EIS)研究了PHC材料的電化學性能。結果表明:松果硬碳的物理和電化學性能受碳化溫度的影響很大。隨著碳化溫度的升高,PHC材料的比表面減小,提高了首次充放電效率,還可以調整非晶PHC材料的微觀孔結構,影響PHC材料的斜坡和平臺容量,從而調控PHC材料的能量密度和功率特性。實驗發(fā)現(xiàn)1400℃下合成的PHC1400樣品表現(xiàn)出最好的綜合電化學性能,在電流密度30mA g~(-1)下,可逆比容量達到370 mAh g~(-1),循環(huán)120周后比容量為334 mAh g~(-1),容量保持率92.7%,首效高達85.4%。(2)研究了雜質、電解液、粘結劑和導電炭黑對鈉離子電池硬碳負極材料性能的影響,并且確定了PHC的儲鈉機理是吸附-嵌入式。其結果表明:經過清洗除雜的PHC1400循環(huán)性能優(yōu)于未清洗的PHC1400,循環(huán)100周后,清洗和未清洗的PHC1400比容量分別是328 mAh g~(-1)和299 m Ah g~(-1),容量保持率分別為91.1%和83.3%。本論文采用了PVDF、CMC和海藻酸鈉三種粘結劑,發(fā)現(xiàn)CMC粘結劑表現(xiàn)出最優(yōu)異的性能。采用電解液NaClO_4-EC:DEC,鈉離子電池表現(xiàn)出最高的容量和循環(huán)性能。PHC1400具有良好的導電性,在未加入導電炭黑的情況下,仍表現(xiàn)出良好的電化學性能。(3)使用溶膠凝膠燃燒法合成NaCrO_2、Na_(2/3)Ni_(1/3-x)Mg_x Mn_(2/3)O_2鈉離子電池正極材料,以松果硬碳(PHC1400)為負極構建全電池,并進行了綜合電化學性能研究。結果表明:在電流密度30 mA g~(-1)下,NaCrO_2/PHC1400全電池表現(xiàn)出288.9mAh g~(-1)的可逆比容量,循環(huán)200周后比容量達150 mAh g~(-1)。Na_(2/3)Ni_(1/3-0.1)Mg_(0.1)Mn_(2/3)O_2/PHC1400全電池在電流密度30 mA g~(-1)下,表現(xiàn)出225.6mAh g~(-1)的可逆比容量。因此PHC1400作為鈉離子電池負極材料在全電池中具有很高的應用價值。
【學位單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

1 緒論基因篩選技術，使其來快速確定合適的電極材料成為一種可能。現(xiàn)在鈉離池還存在著一些基礎的科學問題需要解釋：(1) 鈉離子的嵌入/脫出機理[28]離子和鋰離子在相似電極中的遷移和動力學性能的不同點；(3) SEI 膜在不解液體系中的形成機理；(4) 鈉離子在電解液和電解界面的轉移過程。雖然子電池還存在著很多問題，但是通過研究者的努力鈉離子電池有望取代鋰電池而成為下一代大規(guī)模儲能電池體系。.2 鈉離子電池的工作原理

1 緒論3 鈉離子電池負極材料石墨作為鋰離子電池負極材料已經大規(guī)模生產應用，可逆比容量達到h g-1[29,30]，但是由于受石墨層間距 (0.34 nm) 和結構的限制，Na+的半徑大 55%很難嵌入到石墨層中。如圖 1.2，石墨作為鈉離子電池負極材料表現(xiàn)差的電化學性能[31]。因此，開發(fā)高性能的鈉離子電池負極材料是研究者關熱點。目前，典型的鈉離子電池負極材料有碳基材料、硫基材料、錫基材屬合金和金屬氧化物、有機化合物等。

圖 1.3 Na+嵌入石墨基材料示意圖[32]Fig. 1.3 Schematic illustration of sodium storage in graphite-based materials石墨受層間距和結構的限制很難應用于鈉離子電池負極材料，Yang Wen 人[32]報道了通過對石墨氧化和部分還原法制備膨脹石墨作為鈉離子電池負極使其層間距擴展到 4.3 ，仍然保持長程有序的層狀結構，如圖 1.3 所示，(a) 離子很難嵌入到未經處理的石墨層間距中，(b) 受氧化的石墨層間距擴大，鈉子可以嵌入到層間距中，但是大量氧基團也阻礙鈉離子的嵌入，(c) 擴展層間的石墨經過處理減少了氧基團，大量的鈉離子可以嵌入到層間距中。在電流度 20 mAg-1下可逆比容量達到 284 mAh g-1，電流密度 100 mAg-1下，比容量到 184 mAh g-1，循環(huán) 2000 周后，容量保持率 73.92%。研究者通常對碳材料雜來提高材料的性能。Tingzhou Yang 等人[33]利用豆渣為原材料進行碳化，得N 摻雜的碳片，高含量的 N 元素摻雜，使得結構更加穩(wěn)定，比容量高達 292.2 mAg-1，能量密度達到 146.1 Wh Kg-1，循環(huán) 2000 周后，材料依然保持很高的容量納米碳材料具有較高的比表面積，減小鈉離子擴散阻力，有利于鈉離子在電
【參考文獻】

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1 趙亮;潘慧霖;胡勇勝;李泓;陳立泉;;Spinel lithium titanate (Li_4Ti_5O_(12)) as novel anode material for room-temperature sodium-ion battery[J];Chinese Physics B;2012年02期

本文編號：2865898