NaFeTiO4、硅作為二次電池負極材料的研究.pdf

1、最近幾十年由于全球環(huán)境變化和化石能源短缺，儲能技術已成為全球關注的焦點。探索新能源來替代化石能源已成為當前的緊迫任務。目前，太陽能和風能等新能源已經(jīng)應用于能量儲存系統(tǒng)多年，但它們間歇性的性質(zhì)限制了其大規(guī)模應用。因此，二次電池的電化學能量存儲技術由于其高效率，循環(huán)壽命長且維護費相對較低的優(yōu)點，可適合于能量集成系統(tǒng)，已經(jīng)開始成為有潛力的選擇。到目前為止，鋰離子二次電池(LIBs)已經(jīng)廣泛應用于各種存儲設備上，但是由于鋰電的需求量迅速增加，隨

2、之而來的問題越來越突出，即鋰資源在地殼中的含量不高且分布不均勻，鋰電池的制作成本逐漸增加，使得鋰離子電池難以同時支撐電動汽車和大規(guī)模儲能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，需要發(fā)展資源豐富和價格低廉的新型儲能體系。此時，鈉元素由于其高豐度和低成本以及類似鋰的氧化還原電位(ENa+/Na=2.7V相對標準氫電極，僅比鋰的高0.3 V)引起了人們的關注。鈉具有儲量豐富、環(huán)境友好、安全性好等優(yōu)點，鈉離子電池成為具有廣闊應用前景的新型二次電池。為了推動鋰/鈉

3、離子電池在實際上的應用，研制的鋰/鈉離子電池負極材料必須滿足在脫嵌過程中結構穩(wěn)定，循環(huán)穩(wěn)定好，具有較低的工作電壓等要求。目前硅材料因其較低的工作電壓平臺和較高的理論比容量而成為廣受關注的鋰離子負極材料，但是硅材料導電性的較差，而且在循環(huán)過程中巨大的體積膨脹等缺點限制了它在實際應用中的發(fā)展，目前研究者們正在努力研發(fā)合適的復合結構來提高材料的導電性，減緩體積膨脹帶來的壓力。而在鈉離子電池中，鈦基材料因其穩(wěn)定性好，價格便宜，儲量豐度等優(yōu)勢而受

4、到廣泛關注，引發(fā)了研究者們的興趣。本文主要是針對這兩種負極材料展開了研究，通過調(diào)控合成方法來改變材料的形貌，提高材料在鋰離子和鈉離子電池中的電化學性能，并探究了反應機理以及結構對性能的影響。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過簡單的溶膠-凝膠法合成了高產(chǎn)率的NaFeTiO4納米棒，用作鈉離子電池的負極材料。所獲得的NaFeTiO4納米棒在0.2 C的電流密度下(1 C=177 mA/g)下表現(xiàn)出294mAh/g的高初始放電容量，并且

5、在50個循環(huán)后保持在115mAh/g。此外，通過機械球磨法與多壁碳納米管(MWCNTs)復合獲得NaFeTiO4/MWCNTs復合材料，其電化學性能相比原材料有了很大程度的提高:在0.2 C的電流密度下循環(huán)200圈后，容量仍能維持在150 mA h/g，顯示出其具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。為了探索材料在實際上的應用，嘗試組裝全電池，選用Na3V2(PO4)3/C作為鈉電正極材料，在0.05 C下循環(huán)50次后仍有70 mA h/g的放電容量。并

6、進一步通過XPS，非原位XRD和拉曼光譜等測試手段研究所得材料的電化學反應機制。
　　(2)從自然資源甘蔗渣中提取出疏松多孔結構的納米化的SiO2，后續(xù)采用鎂熱還原的方法煅燒出硅納米顆粒，為了改善硅的循環(huán)性能差的問題，對其進行碳包覆，制得Si/C網(wǎng)絡結構的復合材料。為了達到好的包覆效果，測試了不同碳源，最終選擇了抗壞血酸作為碳源，選擇了溶膠凝膠法包覆，得到的結構是Si/C納米顆粒彼此相連形成網(wǎng)絡，顆粒鑲嵌在抗壞血酸形成的碳層中，可