發(fā)布時間：2021-10-19 13:07

　　近年來,可充電電池在消費類電子產(chǎn)品與大型儲能器件的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在可充電電池研究體系中,鉀離子電池得到了廣泛關(guān)注。鉀金屬資源豐富且標準電極電勢較低,因此鉀離子電池的實際應(yīng)用具有成本低廉、能量密度高的優(yōu)勢。然而,鉀離子電池進一步發(fā)展面臨的瓶頸是鉀離子半徑太大,導致宿主材料在充放電過程中體積變化嚴重、反應(yīng)動力學緩慢,這一問題將造成電極材料電化學性能快速衰減�；阝涬x子電池面臨發(fā)展瓶頸的現(xiàn)狀,探索具有超高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和超快鉀離子遷移速率的電極材料至關(guān)重要。目前,嵌入型電極材料由于在充放電過程中具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較快的離子傳輸速率,被認為是潛在的鉀離子電池負極材料。然而,嵌入型電極材料存在鉀離子儲存容量低、電子電導率差的缺點,這導致組裝的鉀離子電池存在比容量低、倍率性能差的問題。針對嵌入型材料用作鉀離子電池電極材料時存在的不足,本論文設(shè)計并制備了一系列嵌入型鉀離子電池負極材料（碳基材料和釩鈦基氧化物）,并對該系列的嵌入型電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、儲鉀機理進行了深入的研究分析。具體內(nèi)容如下:碳基材料因成本低廉已經(jīng)在鉀離子電池負極材料領(lǐng)域得到了廣泛的研究關(guān)注。然而,碳基材料的循環(huán)穩(wěn)定... 

【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：140 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

從2004年到2019年7月鉀離子電池的發(fā)文量[8]

第一章緒論3雖然以上的這些優(yōu)勢說明了鉀離子電池光明的應(yīng)用前景，但是進一步的實際應(yīng)用依然存在問題。第一，由于鉀元素的相對原子質(zhì)量較大，這在理論上限制了鉀二次電池的比能量密度。第二，鉀離子的半徑太大，其在電極材料中的本征嵌入脫出過程反應(yīng)動力學較慢。并且大尺寸的鉀離子多次在電極材料中嵌入脫出時體積效應(yīng)大，這會導致電化學性能的快速衰減。目前國際上眾多的科研工作者已經(jīng)開始致力于鉀離子電池電極材料的研發(fā)工作已有諸多成果，但反應(yīng)動力學緩慢的根本問題依然沒有得到很好的解決。因此在本論文中，我們將在前人研究基礎(chǔ)上進一步探索高性能鉀離子電池電極材料。1.2鉀離子電池的組成與工作原理如圖1-3所示，鉀離子電池由正極、負極材料，電解質(zhì)和隔膜組成。鉀離子電池的工作原理與鋰離子電池類似：主要是由于鉀離子在正負極之間可逆的嵌入脫出過程引起電極電位的變化。與鋰離子電池中的“搖椅式”反應(yīng)類似。正負極材料由兩種能夠可逆的嵌入脫出鉀離子的材料組成。在充電時，鉀離子從正極材料中脫出到達電解液中，在電場力的作用下遷移到負極；此時在外電路中，電子通過導線有正極遷移到負極，從而確保正負極的正負極電荷守恒。放電過程是充電過程的逆過程。圖1-3鉀離子電池的組成與充放電原理Fig1-3Compositionandcharge-dischargeprincipleofpotassiumionbattery

華南理工大學博士學位論文41.3鉀離子電池正極材料由于鉀離子半徑比鋰離子和鈉離子大，這使得離子在電極中的反應(yīng)動力學及其緩慢。然而鉀離子具有更強的路易斯酸性，它在電解液中具有更快的傳輸速率。因此對鉀離子電池而言雖然離子的嵌入過程受到了限制，但是離子的卻具有更快的轉(zhuǎn)移速率。圖1-4是目前鉀離子電池正極材料的比容量和電壓窗口研究現(xiàn)狀分析，可以看出目前的正極材料主要包括了普魯士藍、層狀氧化物、聚陰離子化合物和有機化合物[9,10]。截止目前越來越多的科研團隊開始致力于開發(fā)高性能的鉀離子電池正極材料，并且關(guān)于鉀離子電池正極材料已經(jīng)出現(xiàn)了大量的研究成果。在這個部分，我們將對正極材料的發(fā)展做了詳細的介紹。圖1-4常見的鉀離子電池正極材料的電壓窗口和比容量Fig1-4Voltagewindowandspecificcapacityofcommonpotassiumionbatteryanodematerials1.3.1普魯士藍正極材料普魯士藍的通用分子式是AxM[Fe(CN)6]y·zH2O，其中A代表堿金屬（如鋰、鈉或鉀），M代表過渡金屬（鐵、錳、鎳或鈷），x的值由M和鐵的價態(tài)決定，一般在0-2之間。如圖1-5所示，普魯士藍的晶胞呈現(xiàn)是面心立方的開放骨架結(jié)構(gòu)，空間群是Fm3m。在這個立方晶格中，氰化物配體與八面體結(jié)構(gòu)的MN6和FeC6相互連接，形成了一個具

【參考文獻】：
期刊論文
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