硬碳是最具有應(yīng)用價(jià)值的鈉離子電池(SIBs)負(fù)極材料,要想實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用,還需要找到合適的前驅(qū)體和制備方法,實(shí)現(xiàn)較高的首次充放電效率和進(jìn)一步提高循環(huán)性能。本文選用價(jià)格低廉、來(lái)源豐富的生物質(zhì)松果作為前驅(qū)體,通過(guò)對(duì)碳化溫度、雜質(zhì)含量、粒徑大小等制備條件的精確控制,得到了電化學(xué)性能優(yōu)異的鈉離子電池松果硬碳(PHC)負(fù)極材料。本論文具體研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)本論文首次使用資源豐富的生物質(zhì)松果通過(guò)兩步碳化法合成了硬碳負(fù)極材料。采用X射線衍射分析(XRD)、拉曼光譜分析(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨掃描透射電子顯微鏡(HRTEM)和N_2吸附脫附等溫曲線方法研究了松果硬碳的微觀結(jié)構(gòu)。采用恒電流充放電、循環(huán)伏安(CV)和電化學(xué)交流阻抗(EIS)研究了PHC材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明:松果硬碳的物理和電化學(xué)性能受碳化溫度的影響很大。隨著碳化溫度的升高,PHC材料的比表面減小,提高了首次充放電效率,還可以調(diào)整非晶PHC材料的微觀孔結(jié)構(gòu),影響PHC材料的斜坡和平臺(tái)容量,從而調(diào)控PHC材料的能量密度和功率特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1400℃下合成的PHC1400樣品表現(xiàn)出最好的綜合電化學(xué)性能,在電流密度30mA g~(-1)下,可逆比容量達(dá)到370 mAh g~(-1),循環(huán)120周后比容量為334 mAh g~(-1),容量保持率92.7%,首效高達(dá)85.4%。(2)研究了雜質(zhì)、電解液、粘結(jié)劑和導(dǎo)電炭黑對(duì)鈉離子電池硬碳負(fù)極材料性能的影響,并且確定了PHC的儲(chǔ)鈉機(jī)理是吸附-嵌入式。其結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)清洗除雜的PHC1400循環(huán)性能優(yōu)于未清洗的PHC1400,循環(huán)100周后,清洗和未清洗的PHC1400比容量分別是328 mAh g~(-1)和299 m Ah g~(-1),容量保持率分別為91.1%和83.3%。本論文采用了PVDF、CMC和海藻酸鈉三種粘結(jié)劑,發(fā)現(xiàn)CMC粘結(jié)劑表現(xiàn)出最優(yōu)異的性能。采用電解液NaClO_4-EC:DEC,鈉離子電池表現(xiàn)出最高的容量和循環(huán)性能。PHC1400具有良好的導(dǎo)電性,在未加入導(dǎo)電炭黑的情況下,仍表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。(3)使用溶膠凝膠燃燒法合成NaCrO_2、Na_(2/3)Ni_(1/3-x)Mg_x Mn_(2/3)O_2鈉離子電池正極材料,以松果硬碳(PHC1400)為負(fù)極構(gòu)建全電池,并進(jìn)行了綜合電化學(xué)性能研究。結(jié)果表明:在電流密度30 mA g~(-1)下,NaCrO_2/PHC1400全電池表現(xiàn)出288.9mAh g~(-1)的可逆比容量,循環(huán)200周后比容量達(dá)150 mAh g~(-1)。Na_(2/3)Ni_(1/3-0.1)Mg_(0.1)Mn_(2/3)O_2/PHC1400全電池在電流密度30 mA g~(-1)下,表現(xiàn)出225.6mAh g~(-1)的可逆比容量。因此PHC1400作為鈉離子電池負(fù)極材料在全電池中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

1 緒論基因篩選技術(shù)，使其來(lái)快速確定合適的電極材料成為一種可能�，F(xiàn)在鈉離池還存在著一些基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題需要解釋：(1) 鈉離子的嵌入/脫出機(jī)理[28]離子和鋰離子在相似電極中的遷移和動(dòng)力學(xué)性能的不同點(diǎn)；(3) SEI 膜在不解液體系中的形成機(jī)理；(4) 鈉離子在電解液和電解界面的轉(zhuǎn)移過(guò)程。雖然子電池還存在著很多問(wèn)題，但是通過(guò)研究者的努力鈉離子電池有望取代鋰電池而成為下一代大規(guī)模儲(chǔ)能電池體系。.2 鈉離子電池的工作原理

1 緒論3 鈉離子電池負(fù)極材料石墨作為鋰離子電池負(fù)極材料已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，可逆比容量達(dá)到h g-1[29,30]，但是由于受石墨層間距 (0.34 nm) 和結(jié)構(gòu)的限制，Na+的半徑大 55%很難嵌入到石墨層中。如圖 1.2，石墨作為鈉離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)差的電化學(xué)性能[31]。因此，開(kāi)發(fā)高性能的鈉離子電池負(fù)極材料是研究者關(guān)熱點(diǎn)。目前，典型的鈉離子電池負(fù)極材料有碳基材料、硫基材料、錫基材屬合金和金屬氧化物、有機(jī)化合物等。

圖 1.3 Na+嵌入石墨基材料示意圖[32]Fig. 1.3 Schematic illustration of sodium storage in graphite-based materials石墨受層間距和結(jié)構(gòu)的限制很難應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極材料，Yang Wen 人[32]報(bào)道了通過(guò)對(duì)石墨氧化和部分還原法制備膨脹石墨作為鈉離子電池負(fù)極使其層間距擴(kuò)展到 4.3 ，仍然保持長(zhǎng)程有序的層狀結(jié)構(gòu)，如圖 1.3 所示，(a) 離子很難嵌入到未經(jīng)處理的石墨層間距中，(b) 受氧化的石墨層間距擴(kuò)大，鈉子可以嵌入到層間距中，但是大量氧基團(tuán)也阻礙鈉離子的嵌入，(c) 擴(kuò)展層間的石墨經(jīng)過(guò)處理減少了氧基團(tuán)，大量的鈉離子可以嵌入到層間距中。在電流度 20 mAg-1下可逆比容量達(dá)到 284 mAh g-1，電流密度 100 mAg-1下，比容量到 184 mAh g-1，循環(huán) 2000 周后，容量保持率 73.92%。研究者通常對(duì)碳材料雜來(lái)提高材料的性能。Tingzhou Yang 等人[33]利用豆渣為原材料進(jìn)行碳化，得N 摻雜的碳片，高含量的 N 元素?fù)诫s，使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，比容量高達(dá) 292.2 mAg-1，能量密度達(dá)到 146.1 Wh Kg-1，循環(huán) 2000 周后，材料依然保持很高的容量納米碳材料具有較高的比表面積，減小鈉離子擴(kuò)散阻力，有利于鈉離子在電
【參考文獻(xiàn)】

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1 趙亮;潘慧霖;胡勇勝;李泓;陳立泉;;Spinel lithium titanate (Li_4Ti_5O_(12)) as novel anode material for room-temperature sodium-ion battery[J];Chinese Physics B;2012年02期

本文編號(hào)：2865898