铁基复合材料的设计及其储能性能研究

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随着太阳能、风能、潮汐能等可再生能源不断被开发利用,目前的储能设备已经无法满足日常生产需要。寻找高性能的储能设备已经成为解决储能问题的主要途径之一,其中钠离子电池和超级电容器凭借其独特的优势脱颖而出。通常,电极材料被认为是决定储能设备性能好坏的关键因素。铁基材料具有价格低廉、来源广泛、理论容量高、电化学活性强等优点受到了研究人员的青睐,被广泛应用为各种储能设备的电极材料。但是,铁基材料本身存在体积效应严重、导电性差等不可忽视的问题,本论文主要通过将其与生物质碳材料复合以及构造多孔结构增加其比表面积的方法解决这一问题。本论文制备了磷化铁/生物质碳复合材料、铁钴磷/生物质碳复合材料和多孔Fe3O4/C多面体材料等三种铁基材料,并探索其合成路线以及作为钠离子电池和超级电容器的电化学性能。具体内容如下:(1)以碳化后的玉兰树叶为基底,采用电化学沉积的方法制备得到磷化铁/生物质碳复合材料,将该材料应用于钠离子电池的负极材料,并测试其电化学性能。独特的多级结构使电极材料在50 mA g-1的低电流密度下表现出500.9mAh g-1的可逆比容量。此外,该电极材料在500 mA g-1的高电流密度下进行长时间循环后仍然保留197 mAh g-1的可逆比容量。(2)同样以碳化后的玉兰树叶为基底,在-1.4V的恒定电压下,采用电化学沉积的方法制备得到Fe-Co-P/BC合金复合材料,将该材料应用于钠离子电池负极材料,并测试其电化学性能。金属元素间以及金属元素与碳材料之间的强相互作用有利于电极材料在高电流密度下电子传输。在100 mA g-1的电流密度下经过100次循环后,Fe-Co-P/BC合金复合材料仍保持466.6 mAh g-1的可逆容量。此外,Fe-Co-P/BC复合材料电极在500 mA g-1的电流密度下显示出优异的长期循环特性,500圈循环后仍然保持了292.8 mAh g-1的可逆容量。(3)以碳化后的ZIF-67为模板采用模板法制备得到的Fe3O4/C纳米颗粒组成的多面体,将其用作超级电容器电极材料,并测试其电化学性能。该复合电极材料呈多面体多孔结构,并具有高比表面积,多活性位点等特点。多孔Fe3O4/C多面体材料具有独特的3D多孔结构,缩短了充放电过程中离子的传输路径,极大地提高了其电化学性能。在3 mol L-1 KOH电解液中电流密度为2 A g-1下,在首圈测试中表现出643.6 F g-1的高放电比容量,放电比容量整体呈上升趋势。在3000次循环性能测试后比电容为571.7 F g-1,表现出较好的循环稳定性。甚至在电流密度为1 A g-1的条件下,对所组装的非对称超级电容器进行5000次循环的循环性能测试,结果表明其具有优异的电化学性能。在首圈测试中表现出70.4 F g-1的放电容量,在5000次循环性能测试后,比电容稳定在52.8 F g-1
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