NaFeTiO4、硅作為二次電池負(fù)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(chǔ)能技術(shù)已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。探索新能源來(lái)替代化石能源已成為當(dāng)前的緊迫任務(wù)。目前，太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源已經(jīng)應(yīng)用于能量?jī)?chǔ)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(yīng)用。因此，二次電池的電化學(xué)能量存儲(chǔ)技術(shù)由于其高效率，循環(huán)壽命長(zhǎng)且維護(hù)費(fèi)相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于各種存儲(chǔ)設(shè)備上，但是由于鋰電的需求量迅速增加，隨

2、之而來(lái)的問(wèn)題越來(lái)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(shí)支撐電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，需要發(fā)展資源豐富和價(jià)格低廉的新型儲(chǔ)能體系。此時(shí)，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(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極，僅比鋰的高0.3 V)引起了人們的關(guān)注。鈉具有儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，鈉離子電池成為具有廣闊應(yīng)用前景的新型二次電池。為了推動(dòng)鋰/鈉

3、離子電池在實(shí)際上的應(yīng)用，研制的鋰/鈉離子電池負(fù)極材料必須滿足在脫嵌過(guò)程中結(jié)構(gòu)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(tái)和較高的理論比容量而成為廣受關(guān)注的鋰離子負(fù)極材料，但是硅材料導(dǎo)電性的較差，而且在循環(huán)過(guò)程中巨大的體積膨脹等缺點(diǎn)限制了它在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展，目前研究者們正在努力研發(fā)合適的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)提高材料的導(dǎo)電性，減緩體積膨脹帶來(lái)的壓力。而在鈉離子電池中，鈦基材料因其穩(wěn)定性好，價(jià)格便宜，儲(chǔ)量豐度等優(yōu)勢(shì)而受

4、到廣泛關(guān)注，引發(fā)了研究者們的興趣。本文主要是針對(duì)這兩種負(fù)極材料展開了研究，通過(guò)調(diào)控合成方法來(lái)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(xué)性能，并探究了反應(yīng)機(jī)理以及結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)簡(jiǎn)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(fù)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(gè)循環(huán)后保持在115mAh/g。此外，通過(guò)機(jī)械球磨法與多壁碳納米管(MWCNTs)復(fù)合獲得NaFeTiO4/MWCNTs復(fù)合材料，其電化學(xué)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(shí)際上的應(yīng)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(jìn)一步通過(guò)XPS，非原位XRD和拉曼光譜等測(cè)試手段研究所得材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。
　　(2)從自然資源甘蔗渣中提取出疏松多孔結(jié)構(gòu)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(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行碳包覆，制得Si/C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。為了達(dá)到好的包覆效果，測(cè)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(jié)構(gòu)是Si/C納米顆粒彼此相連形成網(wǎng)絡(luò)，顆粒鑲嵌在抗壞血酸形成的碳層中，可