鈷納米粒子和二氧化釩納米花復(fù)合材料的制備及其在室溫鈉硫電池中催化性能研究
發(fā)布時間：2020-12-31 05:45
目前移動設(shè)備、交通工具和可再生能源技術(shù)都離不開低成本、長壽命、高安全性、高容量、高功率和環(huán)境友好的儲能電池。室溫鈉硫（RT Na-S）電池因其具有超高的理論容量(1675 mAh g-1)和比能量(1273 Wh kg-1),已成為最具吸引力的能源電池之一。然而,RT Na-S電池的研究還處于起步階段,低的可逆容量和快速的容量衰減是阻礙其發(fā)展進程的兩大主要問題。一方面是因為單質(zhì)硫（S）及其放電產(chǎn)物（Na2S）的絕緣性,使得電池反應(yīng)動力學(xué)緩慢,活性物質(zhì)利用率低;另一方面是長鏈多硫化物在電解液中易溶解,引起活性物質(zhì)損失,造成充放電過程中容量的快速衰減。因此,合理設(shè)計正極材料以提高硫的導(dǎo)電性和反應(yīng)活性,對多硫化物進行有效約束和催化轉(zhuǎn)化,是目前改善RT Na-S電池電化學(xué)性能可行的策略�；诖�,本論文設(shè)計合成了三種具有催化作用的多功能硫正極材料,在RT Na-S電池中均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。這三種復(fù)合材料,利用了碳基底具有良好導(dǎo)電性的特點,改善了硫正極整體的導(dǎo)電性,并且修飾了具有催化作用的金屬納米粒子/氧化物,提高電池反應(yīng)動力...
【文章來源】：西南大學(xué)重慶市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：93 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
（a）基于美國能源部和中國科學(xué)院重點研究項目的電池技術(shù)進展，（b）非鋰金屬硫電池
西南大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1.1（a）基于美國能源部和中國科學(xué)院重點研究項目的電池技術(shù)進展，（b）非鋰金屬硫電池發(fā)展圖[11]。Figure1.1(a)ProgressofbatterytechnologiesbasedonDOEandSPRPprojects,(b)Schematicillustrationofthedevelopmentofnon-Limetal-sulfurbatteries[11].1.2鈉硫（Na-S）電池概述1.2.1鈉硫電池電極硫：單質(zhì)硫含有多種同素異形體和多種分子結(jié)構(gòu)，其中最穩(wěn)定的是常溫常壓下的正交α-S晶體。α-S晶體是由正交晶體晶胞中的S8環(huán)組成。它是一種無味，非金屬的淡黃色固體，是化工業(yè)中最重要的原料之一，在橡膠制造、化妝品和制藥等多種工業(yè)過程中作為衍生物使用[18]。目前全球硫磺產(chǎn)業(yè)的增長利率約為2.5%，并且在2018年達到了7500萬噸。在價格方面，以$kAh-1為單位，鋅是3.66，石墨烯高達32.27，硫僅為0.15，因此硫有望成為一種新型的可持續(xù)的能源存儲材料。圖1.2電極材料Na和S的價格明細及和Li價格對比[20]。Figure1.2Pricebreakdownofrawmaterialsofthebatteryandcomparisonwithlithium[20].
第1章緒論3鈉：是一種質(zhì)量輕的，有金屬光澤且廉價的金屬[19]，它是地殼中第六豐富的金屬元素，海洋中第四豐富的金屬元素。更準確的說，鈉在地殼中的含量是28400mgkg-1，在水中的含量是1000mgL-1，同時以多種礦物質(zhì)形式存在，例如熔鹽和鈉鹽。鈉廣泛分布于世界各個國家，比如智利、中國、澳大利亞和阿根廷，這些國家擁有99%的鈉資源。相比于金屬鋰，鈉的優(yōu)勢首先在價格方面，目前金屬鈉的價格是2100美元一噸，相比于25000美元一噸鋰的來說是具有明顯的成本優(yōu)勢（圖1.2）。其次作為電極材料，相比于標準氫電極（SHE）鈉的氧化還原電位是2.71V。當它作為負極和適當?shù)恼龢O材料耦合時，它能產(chǎn)生大于2.5V的電壓，并且Na的相對原子質(zhì)量（23gmol-1）和理論容量密度（1.16Ahg-1）可以實現(xiàn)高電位。硫的理論容量是1.67Ahg-1，相比于標準氫電極表觀電位是-0.407V（S+2e-S2-）�？傊c高的輸出電壓和硫的高理論容量結(jié)合，在電化學(xué)儲能系統(tǒng)中有望獲得高比能量[20]。圖1.3(a)Na2S-S在高溫、中高溫和室溫下的相圖（HT、IT和RT），（b）高溫（HT）和中溫（IT）Na-S電池示意圖,（c）室溫（RT）Na-S示意圖[24]。Figure1.3(a)PhasediagramofNa2S-Sforhigh,intermediate,androomtemperatures(HT,IT,andRT),(b)SchematicrepresentationandoperationoftubularHTNa-SandITNa-Sbatteries,(c)operatingprincipleofRTNa-Sbatteriesduringthedischargeprocess[24].1.2.2鈉硫電池分類從Na2S-S相圖（圖1.3a）中看出，在不同的溫度范圍內(nèi)，可以獲得不同類型的多硫化鈉（NaPSs）。因此，如圖1.3所示鈉硫電池的類型可以根據(jù)操作溫度的
本文編號：2949081
【文章來源】：西南大學(xué)重慶市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：93 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
（a）基于美國能源部和中國科學(xué)院重點研究項目的電池技術(shù)進展，（b）非鋰金屬硫電池
西南大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1.1（a）基于美國能源部和中國科學(xué)院重點研究項目的電池技術(shù)進展，（b）非鋰金屬硫電池發(fā)展圖[11]。Figure1.1(a)ProgressofbatterytechnologiesbasedonDOEandSPRPprojects,(b)Schematicillustrationofthedevelopmentofnon-Limetal-sulfurbatteries[11].1.2鈉硫（Na-S）電池概述1.2.1鈉硫電池電極硫：單質(zhì)硫含有多種同素異形體和多種分子結(jié)構(gòu)，其中最穩(wěn)定的是常溫常壓下的正交α-S晶體。α-S晶體是由正交晶體晶胞中的S8環(huán)組成。它是一種無味，非金屬的淡黃色固體，是化工業(yè)中最重要的原料之一，在橡膠制造、化妝品和制藥等多種工業(yè)過程中作為衍生物使用[18]。目前全球硫磺產(chǎn)業(yè)的增長利率約為2.5%，并且在2018年達到了7500萬噸。在價格方面，以$kAh-1為單位，鋅是3.66，石墨烯高達32.27，硫僅為0.15，因此硫有望成為一種新型的可持續(xù)的能源存儲材料。圖1.2電極材料Na和S的價格明細及和Li價格對比[20]。Figure1.2Pricebreakdownofrawmaterialsofthebatteryandcomparisonwithlithium[20].
第1章緒論3鈉：是一種質(zhì)量輕的，有金屬光澤且廉價的金屬[19]，它是地殼中第六豐富的金屬元素，海洋中第四豐富的金屬元素。更準確的說，鈉在地殼中的含量是28400mgkg-1，在水中的含量是1000mgL-1，同時以多種礦物質(zhì)形式存在，例如熔鹽和鈉鹽。鈉廣泛分布于世界各個國家，比如智利、中國、澳大利亞和阿根廷，這些國家擁有99%的鈉資源。相比于金屬鋰，鈉的優(yōu)勢首先在價格方面，目前金屬鈉的價格是2100美元一噸，相比于25000美元一噸鋰的來說是具有明顯的成本優(yōu)勢（圖1.2）。其次作為電極材料，相比于標準氫電極（SHE）鈉的氧化還原電位是2.71V。當它作為負極和適當?shù)恼龢O材料耦合時，它能產(chǎn)生大于2.5V的電壓，并且Na的相對原子質(zhì)量（23gmol-1）和理論容量密度（1.16Ahg-1）可以實現(xiàn)高電位。硫的理論容量是1.67Ahg-1，相比于標準氫電極表觀電位是-0.407V（S+2e-S2-）�？傊c高的輸出電壓和硫的高理論容量結(jié)合，在電化學(xué)儲能系統(tǒng)中有望獲得高比能量[20]。圖1.3(a)Na2S-S在高溫、中高溫和室溫下的相圖（HT、IT和RT），（b）高溫（HT）和中溫（IT）Na-S電池示意圖,（c）室溫（RT）Na-S示意圖[24]。Figure1.3(a)PhasediagramofNa2S-Sforhigh,intermediate,androomtemperatures(HT,IT,andRT),(b)SchematicrepresentationandoperationoftubularHTNa-SandITNa-Sbatteries,(c)operatingprincipleofRTNa-Sbatteriesduringthedischargeprocess[24].1.2.2鈉硫電池分類從Na2S-S相圖（圖1.3a）中看出，在不同的溫度范圍內(nèi)，可以獲得不同類型的多硫化鈉（NaPSs）。因此，如圖1.3所示鈉硫電池的類型可以根據(jù)操作溫度的
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