In 2 S 3 /C納米纖維負(fù)極材料的制備及其儲能性能研究
發(fā)布時間：2021-04-09 12:20
硫化銦（In2S3）屬于典型的過渡金屬硫化物,有希望成為儲能領(lǐng)域的備選負(fù)極材料。然而,In2S3在電化學(xué)儲能領(lǐng)域中只有少量報道,且電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理尚未明確。In2S3在具備高容量的優(yōu)點(diǎn)的同時,也有其不可忽視的缺點(diǎn)。純相的In2S3材料在充放電過程中通常伴隨著大的體積膨脹,使其電化學(xué)性能不夠理想,因此,將In2S3與碳基體進(jìn)行原位復(fù)合會是一種可行的改性辦法。在這份工作中,首次通過一種簡單的靜電紡絲方法及隨后的退火處理制備了In2S3/C納米纖維復(fù)合材料以改進(jìn)In2S3的電化學(xué)性能。對In2S3/C納米纖維復(fù)合材料進(jìn)行了一系列測試以表征該材料的各項(xiàng)物理性質(zhì),并測試了該材料作為鋰離子電池、鈉離子電池和鉀離子電池陽極時的電化學(xué)性能。主要工作內(nèi)容包括:...
【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省
【文章頁數(shù)】：60 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖[8]
湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文In2S3/C納米纖維負(fù)極材料的制備及其儲能性能研究3脫嵌，并伴隨著相同摩爾量的電子的移動。鋰離子的嵌入和脫嵌過程可具體表現(xiàn)為在充電狀態(tài)時，鋰離子從正極脫出進(jìn)入電解液，電解液中的鋰離子順著濃度差運(yùn)動到負(fù)極并嵌入其中，同時電子從陽極順著電路移動到陰極。放電過程則與之相反，以完成化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。值得一提的是，在放電過程中回到正極的鋰離子越多，電池的容量也就越高。圖1.2鋰離子電池工作原理[9]目前鋰離子電池正極材料已得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的有錳酸鋰[10]、磷酸鐵鋰[11]、三元金屬氧化物[12]等，其中三元金屬氧化物如鎳鈷錳三元材料是目前最具優(yōu)勢的正極材料，既結(jié)合了鎳酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰材料各自的長處，又能在一定程度上優(yōu)化各自的短處。鋰離子電池的負(fù)極材料以石墨材料為主，此外鈦酸鋰材料也有小批量試用。金屬合金和過渡金屬氧族化合物等負(fù)極材料因其遠(yuǎn)高于石墨（372mAhg-1）的理論容量而受到關(guān)注，但放電過程中電極的體積膨脹會帶來容量的衰減[13]。鋰離子電池電解液以溶有鋰鹽的有機(jī)溶液為主[14]，目前，常用的的是LiPF6、LiBF4和LiClO4和碳酸酯類有機(jī)溶劑。固態(tài)電解質(zhì)是未來電解質(zhì)發(fā)展的趨勢，可有效避免漏液、爆炸等安全隱患。隔膜對保證電池安全，實(shí)現(xiàn)充放電功能具有重要作用，提高強(qiáng)度以及增加比表面積是今后的研究重點(diǎn)。對隔膜材料進(jìn)行表面改性處理和薄型化是現(xiàn)在主流的發(fā)展趨勢[15]。1.3鈉離子電池1.3.1鈉離子電池概述鋰離子電池對新能源技術(shù)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)，然而隨著電動汽車等新能源產(chǎn)業(yè)的迅速擴(kuò)張，全球鋰資源正面臨逐漸枯竭的危機(jī)。我國鋰資源儲量位居全球第四，占全球鋰儲量的13.2%，然而仍有80%的鋰供應(yīng)依賴進(jìn)口[16]。為了應(yīng)對未來將持續(xù)擴(kuò)大的能源需求，尋找可以替代鋰?
湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文In2S3/C納米纖維負(fù)極材料的制備及其儲能性能研究6裝及廢鉀處理有極高的要求，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化進(jìn)程更是不可能一蹴而就。即使鉀離子電池有著不可忽視的弱點(diǎn)，但其優(yōu)勢也非常明顯，除了鉀元素豐富的資源儲量外（地殼豐度為2.59%），還主要表現(xiàn)在它的理論性能上。首先，鉀有著比鈉更低的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(-2.94Vvs.K+/K，-2.71Vvs.Na+/Na)，在碳酸丙烯酯（PC）電解液中，其標(biāo)準(zhǔn)電極電勢甚至低于鋰(-2.88Vvs.K+/K，-2.79Vvs.Li+/Li)，這意味著更高的電池電壓[34]。其次，鉀離子的路易斯酸度在這三種堿金屬離子中是最弱的，形成的溶劑化離子最小，因此鉀離子的離子電導(dǎo)率和界面擴(kuò)散速度要更出色[35]。此外，鉀離子的離子半徑雖然較大，但卻可以可逆地嵌入石墨中，理論比容量達(dá)273mAhg-1。鉀元素與鋰元素和鈉元素的區(qū)別可參考表1.1。表1.1鋰、鈉、鉀元素的對比[36]元素原子量g/mol離子半徑標(biāo)準(zhǔn)電勢Vvs.SHE地殼豐度%碳酸鹽價格$/tLi6.940.76-3.030.00655000Na22.991.02-2.712.83150K39.11.38-2.942.59890基于鉀離子電池特有的優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)下鉀離子電池的研究重點(diǎn)主要集中于研發(fā)具有高能量密度和優(yōu)越的電化學(xué)穩(wěn)定性的電極材料。目前已有多種適用于鉀離子電池的電極材料得以被開發(fā)，如圖1.4所示。圖1.4鉀離子電池電極材料體系[37]
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鈉離子電池：從基礎(chǔ)研究到工程化探索[J]. 容曉暉,陸雅翔,戚興國,周權(quán),孔維和,唐堃,陳立泉,胡勇勝. 儲能科學(xué)與技術(shù). 2020(02)
[2]鈉離子電池正極復(fù)合材料Na0.44MnO2/石墨烯的合成與性能（英文）[J]. 張?jiān)?歐陽琰,劉黎,夏靖,聶蘇,劉穩(wěn),王先友. Journal of Central South University. 2019(06)
[3]鋰離子全電池研究綜述[J]. 孫嘉遙,黃超,郭雙桃. 新材料產(chǎn)業(yè). 2019(05)
[4]Template-Free Synthesis of Sb2S3 Hollow Microspheres as Anode Materials for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries[J]. Jianjun Xie,Li Liu,Jing Xia,Yue Zhang,Min Li,Yan Ouyang,Su Nie,Xianyou Wang. Nano-Micro Letters. 2018(01)
[5]鋰離子電池及材料發(fā)展前瞻——第16屆國際鋰電會議評述[J]. 張劍波,連芳,高學(xué)平,李建剛,范麗珍,何向明. 中國科學(xué):化學(xué). 2012(08)
[6]電池的近期發(fā)展與鋰離子電池[J]. 陳德鈞. 電池. 1996(03)
本文編號：3127611
【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省
【文章頁數(shù)】：60 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖[8]
湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文In2S3/C納米纖維負(fù)極材料的制備及其儲能性能研究3脫嵌，并伴隨著相同摩爾量的電子的移動。鋰離子的嵌入和脫嵌過程可具體表現(xiàn)為在充電狀態(tài)時，鋰離子從正極脫出進(jìn)入電解液，電解液中的鋰離子順著濃度差運(yùn)動到負(fù)極并嵌入其中，同時電子從陽極順著電路移動到陰極。放電過程則與之相反，以完成化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。值得一提的是，在放電過程中回到正極的鋰離子越多，電池的容量也就越高。圖1.2鋰離子電池工作原理[9]目前鋰離子電池正極材料已得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的有錳酸鋰[10]、磷酸鐵鋰[11]、三元金屬氧化物[12]等，其中三元金屬氧化物如鎳鈷錳三元材料是目前最具優(yōu)勢的正極材料，既結(jié)合了鎳酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰材料各自的長處，又能在一定程度上優(yōu)化各自的短處。鋰離子電池的負(fù)極材料以石墨材料為主，此外鈦酸鋰材料也有小批量試用。金屬合金和過渡金屬氧族化合物等負(fù)極材料因其遠(yuǎn)高于石墨（372mAhg-1）的理論容量而受到關(guān)注，但放電過程中電極的體積膨脹會帶來容量的衰減[13]。鋰離子電池電解液以溶有鋰鹽的有機(jī)溶液為主[14]，目前，常用的的是LiPF6、LiBF4和LiClO4和碳酸酯類有機(jī)溶劑。固態(tài)電解質(zhì)是未來電解質(zhì)發(fā)展的趨勢，可有效避免漏液、爆炸等安全隱患。隔膜對保證電池安全，實(shí)現(xiàn)充放電功能具有重要作用，提高強(qiáng)度以及增加比表面積是今后的研究重點(diǎn)。對隔膜材料進(jìn)行表面改性處理和薄型化是現(xiàn)在主流的發(fā)展趨勢[15]。1.3鈉離子電池1.3.1鈉離子電池概述鋰離子電池對新能源技術(shù)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)，然而隨著電動汽車等新能源產(chǎn)業(yè)的迅速擴(kuò)張，全球鋰資源正面臨逐漸枯竭的危機(jī)。我國鋰資源儲量位居全球第四，占全球鋰儲量的13.2%，然而仍有80%的鋰供應(yīng)依賴進(jìn)口[16]。為了應(yīng)對未來將持續(xù)擴(kuò)大的能源需求，尋找可以替代鋰?
湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文In2S3/C納米纖維負(fù)極材料的制備及其儲能性能研究6裝及廢鉀處理有極高的要求，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化進(jìn)程更是不可能一蹴而就。即使鉀離子電池有著不可忽視的弱點(diǎn)，但其優(yōu)勢也非常明顯，除了鉀元素豐富的資源儲量外（地殼豐度為2.59%），還主要表現(xiàn)在它的理論性能上。首先，鉀有著比鈉更低的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(-2.94Vvs.K+/K，-2.71Vvs.Na+/Na)，在碳酸丙烯酯（PC）電解液中，其標(biāo)準(zhǔn)電極電勢甚至低于鋰(-2.88Vvs.K+/K，-2.79Vvs.Li+/Li)，這意味著更高的電池電壓[34]。其次，鉀離子的路易斯酸度在這三種堿金屬離子中是最弱的，形成的溶劑化離子最小，因此鉀離子的離子電導(dǎo)率和界面擴(kuò)散速度要更出色[35]。此外，鉀離子的離子半徑雖然較大，但卻可以可逆地嵌入石墨中，理論比容量達(dá)273mAhg-1。鉀元素與鋰元素和鈉元素的區(qū)別可參考表1.1。表1.1鋰、鈉、鉀元素的對比[36]元素原子量g/mol離子半徑標(biāo)準(zhǔn)電勢Vvs.SHE地殼豐度%碳酸鹽價格$/tLi6.940.76-3.030.00655000Na22.991.02-2.712.83150K39.11.38-2.942.59890基于鉀離子電池特有的優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)下鉀離子電池的研究重點(diǎn)主要集中于研發(fā)具有高能量密度和優(yōu)越的電化學(xué)穩(wěn)定性的電極材料。目前已有多種適用于鉀離子電池的電極材料得以被開發(fā)，如圖1.4所示。圖1.4鉀離子電池電極材料體系[37]
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鈉離子電池：從基礎(chǔ)研究到工程化探索[J]. 容曉暉,陸雅翔,戚興國,周權(quán),孔維和,唐堃,陳立泉,胡勇勝. 儲能科學(xué)與技術(shù). 2020(02)
[2]鈉離子電池正極復(fù)合材料Na0.44MnO2/石墨烯的合成與性能（英文）[J]. 張?jiān)?歐陽琰,劉黎,夏靖,聶蘇,劉穩(wěn),王先友. Journal of Central South University. 2019(06)
[3]鋰離子全電池研究綜述[J]. 孫嘉遙,黃超,郭雙桃. 新材料產(chǎn)業(yè). 2019(05)
[4]Template-Free Synthesis of Sb2S3 Hollow Microspheres as Anode Materials for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries[J]. Jianjun Xie,Li Liu,Jing Xia,Yue Zhang,Min Li,Yan Ouyang,Su Nie,Xianyou Wang. Nano-Micro Letters. 2018(01)
[5]鋰離子電池及材料發(fā)展前瞻——第16屆國際鋰電會議評述[J]. 張劍波,連芳,高學(xué)平,李建剛,范麗珍,何向明. 中國科學(xué):化學(xué). 2012(08)
[6]電池的近期發(fā)展與鋰離子電池[J]. 陳德鈞. 電池. 1996(03)
本文編號：3127611
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