【摘要】：隨著電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(EV)的快速發(fā)展及其在生活中的普及,研究高效率、資源豐富和環(huán)境友好的儲(chǔ)能材料以實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。然而,大部分可再生能源由于其不可控和間歇性等缺點(diǎn)使得不能夠提供穩(wěn)定的能源供給。到目前為止,鋰離子電池在過去二十年的發(fā)展中取得了巨大的成功,鋰離子電池已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于電子設(shè)備和電動(dòng)汽車等設(shè)施上并滲透到生活的各處。然而,由于鋰資源的限度,限制了鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用和可持續(xù)性發(fā)展。因此,迫切需要發(fā)展可代替的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。鈉離子電池由于鈉資源豐富和價(jià)格低廉,使得鈉離子電池作為替代鋰離子電池的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)引起了廣泛的關(guān)注。因此,發(fā)展高性能的鈉離子電池將對(duì)未來的大規(guī)模能量存儲(chǔ)的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。然而,相比于研究較為成熟的鋰離子電池,鈉離子電池現(xiàn)在仍然處于研究不成熟的階段。鈉離子具有與鋰離子相似的物理和化學(xué)性質(zhì),然而,相比于鋰離子鈉離子具有更大的離子半徑,導(dǎo)致其在電化學(xué)過程中的嚴(yán)重滯后和劇烈的體積膨脹。因而,大多數(shù)應(yīng)用于鋰離子電池的高效的電極材料不再適用于鈉離子電池。負(fù)極材料作為鈉離子電池的重要組成部分顯著的影響著鈉離子電池整體的電化學(xué)性能。此外,負(fù)極材料的成本也影響著鈉離子電池的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展。因此,發(fā)展適用于鈉離子電池的高效和低成本的負(fù)極材料對(duì)鈉離子電池的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前,銅基負(fù)極材料由于其資源豐富和價(jià)格低廉顯示出較大的優(yōu)勢(shì)并受到廣泛的關(guān)注。本文制備了CuO和Cu_3P兩種銅基負(fù)極材料,并將其分別作為鈉離子電池負(fù)極材料進(jìn)行了一系列的電化學(xué)測(cè)試和表征。(1)CuO納米片作為高容量的鈉離子電池負(fù)極材料。通過使用二水氯化銅、氫氧化鈉和水作為反應(yīng)原材料,利用簡(jiǎn)單的水熱合成方法制備了大小均勻、形貌均一的二維CuO納米片。通過水熱合成方法制備得到的二維納米片結(jié)構(gòu)相對(duì)于球磨等方法得到的材料具有更大的比表面積,并且作為鈉離子電池電極材料時(shí),在充放電過程中具有更短的離子和電子傳輸途徑以及更大的緩沖空間容納活性材料的體積變化。CuO納米片作為鈉離子電池負(fù)極材料時(shí),使用羧甲基纖維素鈉(CMC)作為粘結(jié)劑,在較低電流密度(50 mAg~(-1))下,表現(xiàn)出接近于理論容量(674 mAhg~(-1))的可逆容量(627.2 mAhg~(-1)),并且在較高電流密度(2000 mAg~(-1))下,仍然能夠提供較高的初始可逆容量(418.4 mAhg~(-1)),且在100次循環(huán)后顯示出較高的容量保持率(73.4%),顯示出較好的容量性能和循環(huán)性能。此外,還使用聚偏氟乙烯(PVDF)作為粘結(jié)劑,研究了粘結(jié)劑對(duì)鈉離子電池的電化學(xué)性能所起的作用。進(jìn)一步,為了研究CuO納米片作為鈉離子電池負(fù)極材料的實(shí)用性,分別以CuO納米片作為負(fù)極和Na_3V_2(PO_4)_3(NVP)作為正極,組裝成為鈉離子全電池并進(jìn)行測(cè)試。(2)通過在銅箔集流體基底上單側(cè)原位生長(zhǎng)并磷化制備得到Cu_3P納米線。所制備獲得的Cu_3P納米線在銅箔集流體基底上單側(cè)生長(zhǎng),并且制備過程簡(jiǎn)便,且可以大規(guī)模的制備。此外,所制備的Cu_3P納米線可以直接作為電極并應(yīng)用于鈉離子電池而不使用任何導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑,從而可降低電池成本和簡(jiǎn)化電池組裝過程。Cu_3P納米線直接作為鈉離子電池負(fù)極(不添加任何導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑)時(shí),具有較高的可逆容量(當(dāng)50 mAg~(-1)時(shí)349 mAhg~(-1))、較好的倍率性能(當(dāng)5000 mAg~(-1)時(shí)137.8 mAhg~(-1))和穩(wěn)定的循環(huán)性能(當(dāng)1000 mAg~(-1)時(shí),循環(huán)260次,平均每個(gè)循環(huán)僅僅0.12%的容量減少),展現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)性能。此外,還制備出不同長(zhǎng)度的Cu_3P納米線,研究了Cu_3P納米線長(zhǎng)度對(duì)鈉離子電池的電化學(xué)性能的影響,并且還運(yùn)用了相應(yīng)的表征對(duì)Cu_3P在鈉離子電池中的充放電機(jī)理進(jìn)行了研究。進(jìn)一步,為了研究Cu_3P納米線直接作為鈉離子電池負(fù)極(不添加任何導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑)的實(shí)用性,分別以Cu_3P納米線直接作為負(fù)極和Na_3V_2(PO_4)_3(NVP)作為正極,組裝成為鈉離子全電池并進(jìn)行測(cè)試。
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【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2473095