層狀及隧道型釩酸鉀鈣離子電池正極材料的制備及性能研究
發(fā)布時間：2021-04-06 05:28
基于鋰電池存在不能滿足大規(guī)模儲能的瓶頸,迫切需要探索低成本、更安全（無枝晶形成）以及更高理論比容量的多價(jià)正離子電池。探索一種具有高比容量,好的循環(huán)穩(wěn)定性的鈣離子電池正極材料對鈣離子電池的發(fā)展具有重大意義。本文利用XRD、SEM、TEM、XPS等表征技術(shù),運(yùn)用電化學(xué)分析測試手段,對幾種釩酸鉀材料的作為鈣離子電池正極材料在硝酸鈣電解液中的電化學(xué)性能進(jìn)行了較系統(tǒng)地研究。首先系統(tǒng)研究了五種釩酸鉀材料在1M硝酸鈣電解液中的電化學(xué)性能,其中水熱合成法制備獲得綜合性能最佳的層狀結(jié)構(gòu)釩酸鉀K2V6O16·2.7H2O。層狀結(jié)構(gòu)釩酸鉀:雙層結(jié)構(gòu)的釩酸鉀K0.5V2O5具有相對較高初始容量,在100 mA g-1的電流密度下放電容量可接近45 mAh g-1。V3O8層狀結(jié)構(gòu)的釩酸鉀KV3O8在100 mA g-1...
【文章來源】：煙臺大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：67 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
普魯士藍(lán)充放電過程示意圖[26]
煙臺大學(xué)碩士學(xué)位論文5下也是實(shí)現(xiàn)了鈣離子的嵌入和脫出，且在電流密度為10mAg-1下得到約為80mAhg-1的放電容量[20]。此外，NFCN（N：Ni）在與MFCN同樣的有機(jī)體系下也是實(shí)現(xiàn)了鈣離子的嵌入和脫出，其得到了接近60mAhg-1的放電容量[23]。另外，普魯士藍(lán)類似物KxMFe(CN)6·nH2O也被證實(shí)了可以實(shí)現(xiàn)鈣離子的嵌入和脫出，其實(shí)現(xiàn)了接近了50mAhg-1的放電容量以及接近92%的庫倫效率[24]。正極和負(fù)極均采用開放結(jié)構(gòu)材料的水系鈣離子電池也被報(bào)道，其充放電原理示意圖如圖1.2所示，其中，負(fù)極采用了綜合性能較佳的有機(jī)高分子材料聚酰亞胺[N,N"-(ethane-1,2-diyl)-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxiimide](PNDIE)，這材料具有不溶于水、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、開放結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。正極采用鐵氰化物(CuHCF)也是一種具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、開放結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)的材料[25]。使用這兩種材料獲得了之前未有的高的容量和好的循環(huán)性能，為探索鈣離子電池嵌脫機(jī)制提供了基礎(chǔ)，為我們今后繼續(xù)深入探索鈣離子電池提供了指導(dǎo)性的思路。圖1.2聚酰亞胺-鐵氰化物水系鈣離子電池充放電過程示意圖[25]Fig.1.2Schematicillustrationofthepolyimide–CaxCuHCFaqueousrechargeableCa-ionbattery[25]1.3.2過渡金屬氧化物及其衍生物五氧化二釩(V2O5)嵌入和脫出鈣離子的能力在十幾年前就得到了驗(yàn)證[30,31]，但因?yàn)殁}常溫下無法電鍍和剝離使得其研究緩慢，使得關(guān)于五氧化二釩關(guān)于鈣離子電
煙臺大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.3V2O5的晶體結(jié)構(gòu)：鄰近金字塔內(nèi)的紅色大球代表V，藍(lán)色小球體代表O[52]Fig.1.3CrystalstructureofV2O5:largeredspheresinsidethenearestneighborcoordinationpyramidsrepresentV,smallblueonesrepresentO[52]1.4.2釩酸鉀五氧化二釩在引入金屬元素后，可以在引起其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變化，占據(jù)其中的一些位點(diǎn)，使得本為層狀結(jié)構(gòu)的五氧化二釩甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變化。目前，釩酸鹽在鋰電等都得到了良好的電化學(xué)性能，如單晶的K2V8O21[53]、棒狀的Ca0.24V2O5·H2O[54]、LiV3O8[55]等釩酸鹽材料都在在鋰電池中都得到了優(yōu)良的性能，甚至無定型的氧化釩得到了極佳的循環(huán)性能[56]，此外，在鋅電池[57]、鉀電池[58]，釩酸鹽也都表現(xiàn)出不錯的性能。最重要的是，有關(guān)報(bào)道證明了釩酸鉀納米線的層狀表面結(jié)構(gòu)與K離子之間存在協(xié)同增效作用，可提高納米線的儲能性能[59]。因此，本論文主要研究的是引入鉀離子后的層狀及隧道型結(jié)構(gòu)的釩酸鉀，在利用釩酸鹽合成簡單、含量豐富、釩豐富的價(jià)態(tài)和其具有優(yōu)良嵌鋰能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的研究。1.5本文的研究意義和內(nèi)容1.5.1本文研究的意義近年來，隨著電動汽車和移動電話的快速發(fā)展，人們對性能的要求不斷提高，這引起了人們對可充電鋰離子電池的關(guān)注。然而，因?yàn)殚_采成本、安全性和有限的
本文編號：3120856
【文章來源】：煙臺大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：67 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
普魯士藍(lán)充放電過程示意圖[26]
煙臺大學(xué)碩士學(xué)位論文5下也是實(shí)現(xiàn)了鈣離子的嵌入和脫出，且在電流密度為10mAg-1下得到約為80mAhg-1的放電容量[20]。此外，NFCN（N：Ni）在與MFCN同樣的有機(jī)體系下也是實(shí)現(xiàn)了鈣離子的嵌入和脫出，其得到了接近60mAhg-1的放電容量[23]。另外，普魯士藍(lán)類似物KxMFe(CN)6·nH2O也被證實(shí)了可以實(shí)現(xiàn)鈣離子的嵌入和脫出，其實(shí)現(xiàn)了接近了50mAhg-1的放電容量以及接近92%的庫倫效率[24]。正極和負(fù)極均采用開放結(jié)構(gòu)材料的水系鈣離子電池也被報(bào)道，其充放電原理示意圖如圖1.2所示，其中，負(fù)極采用了綜合性能較佳的有機(jī)高分子材料聚酰亞胺[N,N"-(ethane-1,2-diyl)-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxiimide](PNDIE)，這材料具有不溶于水、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、開放結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。正極采用鐵氰化物(CuHCF)也是一種具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、開放結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)的材料[25]。使用這兩種材料獲得了之前未有的高的容量和好的循環(huán)性能，為探索鈣離子電池嵌脫機(jī)制提供了基礎(chǔ)，為我們今后繼續(xù)深入探索鈣離子電池提供了指導(dǎo)性的思路。圖1.2聚酰亞胺-鐵氰化物水系鈣離子電池充放電過程示意圖[25]Fig.1.2Schematicillustrationofthepolyimide–CaxCuHCFaqueousrechargeableCa-ionbattery[25]1.3.2過渡金屬氧化物及其衍生物五氧化二釩(V2O5)嵌入和脫出鈣離子的能力在十幾年前就得到了驗(yàn)證[30,31]，但因?yàn)殁}常溫下無法電鍍和剝離使得其研究緩慢，使得關(guān)于五氧化二釩關(guān)于鈣離子電
煙臺大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.3V2O5的晶體結(jié)構(gòu)：鄰近金字塔內(nèi)的紅色大球代表V，藍(lán)色小球體代表O[52]Fig.1.3CrystalstructureofV2O5:largeredspheresinsidethenearestneighborcoordinationpyramidsrepresentV,smallblueonesrepresentO[52]1.4.2釩酸鉀五氧化二釩在引入金屬元素后，可以在引起其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變化，占據(jù)其中的一些位點(diǎn)，使得本為層狀結(jié)構(gòu)的五氧化二釩甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變化。目前，釩酸鹽在鋰電等都得到了良好的電化學(xué)性能，如單晶的K2V8O21[53]、棒狀的Ca0.24V2O5·H2O[54]、LiV3O8[55]等釩酸鹽材料都在在鋰電池中都得到了優(yōu)良的性能，甚至無定型的氧化釩得到了極佳的循環(huán)性能[56]，此外，在鋅電池[57]、鉀電池[58]，釩酸鹽也都表現(xiàn)出不錯的性能。最重要的是，有關(guān)報(bào)道證明了釩酸鉀納米線的層狀表面結(jié)構(gòu)與K離子之間存在協(xié)同增效作用，可提高納米線的儲能性能[59]。因此，本論文主要研究的是引入鉀離子后的層狀及隧道型結(jié)構(gòu)的釩酸鉀，在利用釩酸鹽合成簡單、含量豐富、釩豐富的價(jià)態(tài)和其具有優(yōu)良嵌鋰能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的研究。1.5本文的研究意義和內(nèi)容1.5.1本文研究的意義近年來，隨著電動汽車和移動電話的快速發(fā)展，人們對性能的要求不斷提高，這引起了人們對可充電鋰離子電池的關(guān)注。然而，因?yàn)殚_采成本、安全性和有限的
本文編號：3120856
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