鈉-鎂離子電池電極材料微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電化學(xué)性能研究.pdf

1、未來，電動汽車和儲能電網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用將會造成鋰源料價(jià)格大幅上揚(yáng)和鋰離子電池成本過高的問題。由于全球有限的鋰資源無法滿足巨大的能源市場需求，而鈉/鎂離子電池儲能技術(shù)因其對環(huán)境的友好性、豐富的全球儲量、低廉的成本等優(yōu)勢被提議作為更便宜、更安全的下一代先進(jìn)電池系統(tǒng)。在電池的基本組成中，電極材料的發(fā)展是提升鈉/鎂離子電池性能和降低成本的主要瓶頸。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能電極材料、解決各類材料遇到的問題，對鈉/鎂離子電池的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和實(shí)

2、際應(yīng)用價(jià)值。本論文旨在利用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而得到高性能鈉/鎂離子電池電極材料，同時(shí)在深入分析材料的結(jié)構(gòu)-陛能構(gòu)效關(guān)系基礎(chǔ)上尋找并發(fā)展新型高性能電極材料。主要的研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1.設(shè)計(jì)并合成了一種球中球分級結(jié)構(gòu)的P2型Na0.7Ni0.18Mn0.64C00.18O2作為鈉離子電池正極材料。在氧化物正極材料中，這種微納結(jié)構(gòu)對電池性能的影響很少被研究。事實(shí)上，這項(xiàng)工作提供了一個(gè)有趣的研究模型，為理解鈉基層狀氧化物材料結(jié)

3、構(gòu)與電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系打下基礎(chǔ)。同時(shí)電化學(xué)結(jié)果表明該微納結(jié)構(gòu)材料不僅擁有超高的容量還具有優(yōu)異的倍率性能。此外，利用同步輻射X射線吸收譜學(xué)方法對其整個(gè)電化學(xué)過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該材料在整個(gè)過程中都有良好的可逆性。相信這一工作能夠?yàn)樾滦透咝阅茆c基層狀氧化物正極材料的設(shè)計(jì)提供一個(gè)嶄新思路，為鈉離子電池正極材料的發(fā)展開辟一個(gè)新的方向。
　　2.利用雙重策略設(shè)計(jì)并制備了單晶普魯士藍(lán)(FeHCFe)納米框架/單壁碳納米管(SWCNT

4、s)復(fù)合材料作為無粘結(jié)劑的鈉離子電池正極材料。設(shè)計(jì)普魯士藍(lán)的雜化復(fù)合結(jié)構(gòu)是提高該材料性能的有效方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種復(fù)合材料表現(xiàn)出超高的倍率性能，在100C下的容量還有35.0mAh g-1;還有杰出的循環(huán)穩(wěn)定性，5C下500次循環(huán)容量保持率達(dá)到92％。通過全面的化學(xué)和結(jié)構(gòu)分析，借助軟、硬X射線吸收譜學(xué)，解釋了其性能提高的原因并描述了反應(yīng)機(jī)制。這一工作對于以后發(fā)展新型高能廉價(jià)的其它普魯士藍(lán)類似物正極材料提供了一個(gè)很好的借鑒思路，有望被廣

5、泛應(yīng)用于普魯士藍(lán)類似物正極材料的研究設(shè)計(jì)之中。
　　3.在上述合成普魯士藍(lán)工作的基礎(chǔ)上，利用制備的核殼結(jié)構(gòu)普魯士藍(lán)類似物@多巴胺作為模板，一步硫化、碳化得到一種Fe0.6Co0.3Ni0.1S2納米粒子限制在氮摻雜碳納米盒子材料。作為鈉離子電池負(fù)極，該材料具有更高的電子電導(dǎo)率和更豐富的氧化還原電對;外殼的碳層保護(hù)了活性顆粒，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在鈉離子反復(fù)脫嵌時(shí)可以保持完整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該材料因?yàn)槠涮厥獾脑O(shè)計(jì)而擁有了超乎尋常的電化學(xué)穩(wěn)定性

6、和倍率性能，是一種潛在的高性能負(fù)極材料。這樣的設(shè)計(jì)思路為開發(fā)具有更高容量和更優(yōu)秀電化學(xué)性能的新型微納負(fù)極材料提供了有益的啟示，拓展了金屬有機(jī)框架化合物衍生鈉離子電池電極材料的新思路。
　　4.采用層狀MoS2納米片作為鎂離子電池正極，以自制的[Mg2Cl3]+·[AlPh2Cl2]-/THF(APC)溶液為電解液，高純鎂箔(99.9％)為負(fù)極，在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行了鎂離子電池的裝配，并對其進(jìn)行了初步的電化學(xué)測試。測試結(jié)果顯示裝