高储锂/钠性能的过渡金属氧化物及硫族化合物电极研究

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电极材料是二次电池的核心部件,也是决定电池电化学性能的关键,开发高性能储锂/钠电极体系迫在眉睫。过渡金属氧化物(TMO)和过渡金属硫族化合物(TMC)因为较高的理论比容量、低成本、易合成等诸多优势受到了广泛的关注。但是这类材料在充放电过程中动力学缓慢、过电位高,严重制约了电化学性能的提升。本文基于理论分析和结构设计开展了系列改善工作。第一章首先介绍了锂离子电池和钠离子电池的研究背景和工作原理,并阐述了不同类型的负极材料的特点,随后着重论述了 TMO与TMC类型的材料的研究现状和存在的问题,从而引出了本文的研究依据和主要工作内容。第二章详细介绍了本文所使用的主要实验方法、仪器设备和药品试剂,并重点介绍了其中材料结构、成分和形貌等表征手段和电化学性能的测试方法。第三章,本文提出采用非晶Fe203作为锂离子电池负极材料,有利于缓解体积变化并促进锂离子扩散。测试结果表明在1Ag-1的大电流密度下经过500次循环之后非晶Fe203电极可保持~1600 mAh g-1,而倍率性能也非常优异,20 A g-1的电流密度下仍然可保持~415mAh g-1。在该工作基础上,我们通过纳米金属颗粒Ag的添加,进一步提高了其电化学性能。在第四章的工作内容中,我们提出了一种通用的、可大规模制备二维纳米材料的方法制备了 Co3O4纳米片,并将这种方法拓展到制备其他过渡金属氧化物如NiO和NiCo204纳米片,均表现出优异的储锂或储钠性能。如Co304纳米片分别用作锂电或钠电电极,经过100次循环可分别保持404mAh g-1和1029mAhg-1。本文在第五章探究了 α-NiS这种新型钠离子电池负极材料的电化学性能和反应机理。首先我们采用循环冷流的方法合成了分级的中空NiS微米球,将其用作钠离子电池电极材料,具有很高的可逆比容量(在0.1 Ag-1下达到683.8 mAh g-1),高倍率性能(5Ag-1下达到337.4mAhg-1)。第六章,我们通过固相烧结的方法合成了 TiSe2块体材料,并发现其极容易被剥离为纳米片状结构。我们首次将获得的TiSe2纳米片用作钠离子电池电极材料,发现其首次库伦效率高达93.7%,且循环(100 mA g-1循环200次保持224 mAh g-1)和倍率性能(10 mA g-1下保持103 mAh g-1)都很优异。最后,第七章系统地总结了本文的研究内容和成果,指出了现有工作的不足之处,并提出了未来研究的方向和建议。
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