锑基负极材料的制备及其储钠电性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangweiwei_521
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得益于较低的成本、丰富的地壳资源、类似的工作原理以及可媲美的电化学性能,钠离子电池被认为是锂离子电池最有可能的替代者。可是原来适用于锂离子电池的电极材料不能很好地在钠离子电池中应用。因此,迫切需要发展高倍率性能、低成本、通用性的电极材料以适应钠离子电池的实际运用。锑基材料因其高的理论容量被视为钠离子负极材料有竞争力的候选者之一。但是,锑基材料存在剧烈的体积膨胀,进而产生材料整体破碎等问题,不可避免地导致了差的倍率性能与较短的循环寿命。为解决上述问题,我们成功合成了开口碳盒内嵌中空锑钠米颗粒复合材料(Sb HPs@OCB),并通过一系列测试表征手段深入研究了Sb HPs@OCB材料的结构特征,探索了其在常温、高温下的电性能与储能机理以及动力学参数。本文的主要内容如下:(1)以氯化钾为硬模板,通过冷冻干燥法合成了Sb HPs@OCB复合材料,并对其进行了多种表征测试,发现其具有以下特征:50-200 nm的中空锑纳米颗粒均匀、完整地嵌入在大约300 nm的二维碳墙中;在Sb纳米颗粒与碳基质之间有稳固的Sb-O-C键存在;开口的碳盒相互连接形成三维结构。(2)深入研究了Sb HPs@OCB材料在25℃的条件下储钠电性能。Sb HPs@OCB复合材料在16 A g-1的超高倍率下拥有270 m Ah g-1的优异容量表现;在10 A g-1的大电流密度下循环180圈保留217.7 m Ah g-1的可逆容量。组装的全电池在100 m A g-1的电流密度下循环67圈有218 m Ah g-1的可逆容量。本论文还揭示了常温下Sb HPs@OCB材料的储能机理为Sb的合金化反应与赝电容贡献。(3)对Sb HPs@OCB材料在50℃下的高温储钠电性能进行了详细研究,结果显示,Sb HPs@OCB材料拥有优异的高温电性能,在16 A g-1的超高倍率下拥有345 m Ah g-1的容量表现,在10 A g-1的大电流密度下循环355圈有187 m Ah g-1的容量保留。通过CV曲线、EIS曲线等分析显示Sb HPs@OCB电极在50℃下具有显著的增强动力学,而且高温充电过程有无定型Sb的产生,在常温下没有发现该现象。本文还研究了Sb HPs@OCB材料在高温下的储能机理,结果表明电极以赝电容与Sb合金化反应共同作用储存能量。循环后的材料分析表征显示Sb HPs@OCB材料在长周期、大倍率循环后,Sb-O-C键依然存在,且整体结构依然完整。
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