發(fā)布時(shí)間：2020-05-14 04:07

【摘要】：鋰離子電池是一種可循環(huán)使用的高效潔凈新能源,是綜合緩解能源、資源和環(huán)境問(wèn)題的有效技術(shù)途徑,目前已廣泛用作各種電子產(chǎn)品的工作電源和移動(dòng)式裝置的動(dòng)力電池。然而,鋰元素在地殼中的豐度僅為0.0006%,資源和價(jià)格問(wèn)題成為鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙。為此,尋找和研發(fā)下一代綜合效能優(yōu)異的儲(chǔ)能電池新體系迫在眉睫。鈉元素作為與鋰同一主族的元素,電化學(xué)性質(zhì)非常相近,并且儲(chǔ)量豐富,地殼豐度約為2.64%,成本也更為低廉,因此用鈉替代鋰開發(fā)鈉離子電池具有非常廣闊的應(yīng)用前景,而尋找和開發(fā)合適的電極材料成為鈉離子電池研究的主要任務(wù)之一。近年來(lái),隨著聚陰離子材料磷酸鐵鋰(LiFePO_4)作為動(dòng)力鋰離子電池正極材料成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,人們對(duì)鈉離子電池正極材料的研究也集中在聚陰離子型材料。在眾多聚陰離子型化合物中,SO_4~(2-)具有更高的電負(fù)性和更強(qiáng)的誘導(dǎo)效應(yīng),因此硫酸鹽材料的工作電壓更高,從而受到更加廣泛地關(guān)注。Na_2Fe_2(SO_4)_3作為鈉離子電池正極材料,相比于LiFePO_4材料,充放電平臺(tái)更高(3.8 V),并且其自身結(jié)構(gòu)所具有的三維鈉離子通道使其擁有更高的離子導(dǎo)電率。然而,Na_2Fe_2(SO_4)_3材料低的電子導(dǎo)電率和鈉離子擴(kuò)散系數(shù)等缺點(diǎn)限制了它的實(shí)際應(yīng)用。在本論文中,圍繞Na_2Fe_2(SO_4)_3以上缺點(diǎn),我們有針對(duì)性的進(jìn)行了研究,分別制備得到還原氧化石墨烯包覆硫酸亞鐵鈉(Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO)和稻殼炭負(fù)載硫酸亞鐵鈉(Na_2Fe_2(SO_4)_3@RHC)復(fù)合材料。氧化石墨烯作為一種二維碳材料,通過(guò)與Na_2Fe_2(SO_4)_3復(fù)合,能夠完整地包覆在材料表面,提高材料的電導(dǎo)率,有利于電子傳輸。同時(shí),還原氧化石墨烯包覆后隔絕了Na_2Fe_2(SO_4)_3材料與電解液之間的接觸,抑制了二者之間的副反應(yīng)。通過(guò)直流電導(dǎo)率測(cè)試表明,復(fù)合材料的電導(dǎo)率由2.0×10~(-15) S cm~(-1)提高到1.65×10~-66 S cm~(-1),在0.1 C(1 C=120 mAh g~(-1))倍率下經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后,Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO材料的比容量保持率達(dá)到89%,而原始的Na_2Fe_2(SO_4)_3材料僅為67%。Na_2Fe_2(SO_4)_3/rGO材料在5 C倍率下依然能夠獲得66 mAh g~(-1)的容量,而原始的Na_2Fe_2(SO_4)_3材料容量?jī)H為16 mAh g~(-1)。EIS測(cè)試表明材料的動(dòng)力學(xué)性能得到了明顯提升,電荷轉(zhuǎn)移電阻由1551Ω減小到了701.2Ω。GITT測(cè)試表明鈉離子擴(kuò)散系數(shù)提高了10多倍。通過(guò)還原氧化石墨烯包覆提高了材料的電導(dǎo)率和動(dòng)力學(xué)性能,并且抑制了材料與電解液之間的副反應(yīng),因此獲得了更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過(guò)原位合成,我們制備得到Na_2Fe_2(SO_4)_3@RHC復(fù)合材料。經(jīng)過(guò)RHC復(fù)合后,材料的電化學(xué)性能得到了提升,首次充電容量達(dá)到123.9 mAh g~(-1),循環(huán)伏安(CV)測(cè)試發(fā)現(xiàn)材料的氧化還原峰之間的極化得到減小,電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試發(fā)現(xiàn)不僅材料表面膜電阻減小,而且電荷轉(zhuǎn)移電阻也明顯減小,表明RHC復(fù)合提高了材料的動(dòng)力學(xué)性能,因而提高了材料的電化學(xué)性能。同時(shí)RHC作為一種生物質(zhì)炭,將其應(yīng)用在鈉離子電池中,能夠有效的降低成本,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能。
【圖文】：

1 引言化石燃料仍然是我們的主要電力供應(yīng)資源。然而，化石燃料的廣泛使用大量的二氧化碳是全球變暖的主要原因。因此，太陽(yáng)能，風(fēng)能等可再生能發(fā)和利用迫在眉睫。正常運(yùn)行的電網(wǎng)需要穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)電，而太陽(yáng)能和風(fēng)境因素（如天氣，季節(jié)和地點(diǎn)等）比較依賴，不適合現(xiàn)代電網(wǎng)的應(yīng)用。為這個(gè)問(wèn)題，電化學(xué)儲(chǔ)能（EES）技術(shù)引起人們的重視。鋰離子電池作為儲(chǔ)的“新貴”，具有高的能量密度和超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，此外其較高工作電壓境污染小，已成為近年來(lái)人們研究的重點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，鋰離子電池也應(yīng)用在手機(jī)、電腦、數(shù)碼產(chǎn)品等，同時(shí)也帶動(dòng)了新能源汽車和儲(chǔ)能等領(lǐng)域1-3]。圖 1.1 顯示了可再生能源發(fā)電圖[4]，從中可以看出 EES 和不同電子電力所需的能源車輛運(yùn)輸均影響者我們的日常生活。

圖 1.2 室溫鈉離子電池工作原理示意圖ure 1.2 The working principle of room-temperature sodium-ion bat離子電池正極材料周知，我們要提高電池的能量密度、安全性以及循環(huán)壽命，正其關(guān)鍵因素。因此，人們一直致力于改善和提升正極材料的性型的正極材料。理想的正極材料，，應(yīng)具備以下優(yōu)點(diǎn)[19-20]：）具有較高的比容量；）較高的氧化還原電位；）穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，允許鈉離子嵌入和脫出；）良好的電子和離子導(dǎo)電率；）資源儲(chǔ)量豐富、制備簡(jiǎn)單，成本低，環(huán)境友好等。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

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1 張寧;劉永暢;陳程成;陶占良;陳軍;;鈉離子電池電極材料研究進(jìn)展[J];無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào);2015年09期

2 李慧;吳川;吳鋒;白瑩;;鈉離子電池:儲(chǔ)能電池的一種新選擇[J];化學(xué)學(xué)報(bào);2014年01期

3 馬璨;呂迎春;李泓;;鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題(VII)——正極材料[J];儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù);2014年01期

4 施志聰,楊勇;聚陰離子型鋰離子電池正極材料研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2005年04期

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1 閆霄;鋰離子電池負(fù)極材料TiO_2的制備及性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2662756