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随着人口的急剧增长,人们对于电气化设备的依赖增强,对于便携式储能设备的需求也越发剧烈。目前,伴随着电动汽车和手持终端设备而被广泛普及的锂离子电池市场前景广阔,但是,相应的地壳中有限的而少量的锂资源储备便引发了人们的关注,随着全球锂价格的一路飙升,寻求一种在功能上可代替锂且价格低廉的储能材料的呼声日益强烈。
钠离子电池作为一种和锂离子电池同期被发明而后期被搁置的储能设备,由于钠资源储量大、价格低廉、分布广泛等特点,近些年来引起了广泛关注。近几年的大量研究表明,钠离子电池未来可能成为的锂离子电池的替代者之一,钠离子电池具有极大的发展潜力,发展其电极材料将是一个重大的突破口和未来几年的研究方向。
本论文中,研究要点主要集中于一种石墨基负极材料——膨胀石墨。本研究中通过Hummer法合成了氧化石墨(GO),并通过热膨胀法制得膨胀石墨(EG),进而将红磷(RP)通过蒸发-冷凝的方法制得膨胀石墨/红磷复合材料(EG@RP)。样品合成后,使用到X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、扫描电镜、比表面积测试以及热重分析等分析方法对中间产物氧化石墨、膨胀石墨以及EG@RP复合材料进行合成探究和表征。然后对EG@RP负极材料进行了电池组装,并对其进行了包括循环伏安曲线、交流阻抗谱图以及恒电流、变电流条件下循环性能测试,以探究RP含量、电解液添加剂等因素对复合材料的电化学性能的影响。
表征结果表明,通过Hummer法/热膨胀法/蒸发-冷凝法可以成功合成EG@RP复合材料,该材料同时具有RP和EG的官能团特征;EG@RP1、EG@RP5、EG@RP10形貌特征与EG类似,总体均呈现蠕虫状、粗糙的V型片层状形态,红磷为存在于EG片层上为无定型非晶态膜状,EG@RP15表现为膨胀石墨包覆红磷的状态,红磷呈六方晶体形貌;EG@RP复合材料孔容、孔径随着RP含量增加总体呈下降态势,EG@RP10与EG@RP10处出现最大降幅,比表面积数据未达到EG的1/4,但后期变化幅度较小;EG@RP复合材料受RP热稳定性影响,在400-540℃有明显热失重现象。
EG@RP复合材料进行电化学测试结果表明,其氧化还原性反应具有较好的可逆性,FEC有助于增强电池的循环稳定性。EG@RP复合材料交流阻抗受到RP存在形态的影响,且随着RP含量增加,EG@RP复合材料的交流阻抗数值也将会提升。在电流密度为100mA/g时,EG@RP1、EG@RP5以及EG@RP10首圈放电比容量分别为548mAh/g、705mAh/g以及819mAh/g,充电比容量分别为152mAh/g、257mAh/g以及421mAh/g(充电比容量),库伦效率分别为21.89%、36.45%和51.4%,电池在少量循环中(前10圈),比容量随着RP含量增加而增大;在长圈期循环(100圈)中,放电比容量和充电比容量分别为113mAh/g和113mAh/g、97.5mAh/g和96.7mAh/g、33.4mAh/g和33.4mAh/g RP,RP含量低的复合材料比容量以及稳定性表现更好。
钠离子电池作为一种和锂离子电池同期被发明而后期被搁置的储能设备,由于钠资源储量大、价格低廉、分布广泛等特点,近些年来引起了广泛关注。近几年的大量研究表明,钠离子电池未来可能成为的锂离子电池的替代者之一,钠离子电池具有极大的发展潜力,发展其电极材料将是一个重大的突破口和未来几年的研究方向。
本论文中,研究要点主要集中于一种石墨基负极材料——膨胀石墨。本研究中通过Hummer法合成了氧化石墨(GO),并通过热膨胀法制得膨胀石墨(EG),进而将红磷(RP)通过蒸发-冷凝的方法制得膨胀石墨/红磷复合材料(EG@RP)。样品合成后,使用到X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、扫描电镜、比表面积测试以及热重分析等分析方法对中间产物氧化石墨、膨胀石墨以及EG@RP复合材料进行合成探究和表征。然后对EG@RP负极材料进行了电池组装,并对其进行了包括循环伏安曲线、交流阻抗谱图以及恒电流、变电流条件下循环性能测试,以探究RP含量、电解液添加剂等因素对复合材料的电化学性能的影响。
表征结果表明,通过Hummer法/热膨胀法/蒸发-冷凝法可以成功合成EG@RP复合材料,该材料同时具有RP和EG的官能团特征;EG@RP1、EG@RP5、EG@RP10形貌特征与EG类似,总体均呈现蠕虫状、粗糙的V型片层状形态,红磷为存在于EG片层上为无定型非晶态膜状,EG@RP15表现为膨胀石墨包覆红磷的状态,红磷呈六方晶体形貌;EG@RP复合材料孔容、孔径随着RP含量增加总体呈下降态势,EG@RP10与EG@RP10处出现最大降幅,比表面积数据未达到EG的1/4,但后期变化幅度较小;EG@RP复合材料受RP热稳定性影响,在400-540℃有明显热失重现象。
EG@RP复合材料进行电化学测试结果表明,其氧化还原性反应具有较好的可逆性,FEC有助于增强电池的循环稳定性。EG@RP复合材料交流阻抗受到RP存在形态的影响,且随着RP含量增加,EG@RP复合材料的交流阻抗数值也将会提升。在电流密度为100mA/g时,EG@RP1、EG@RP5以及EG@RP10首圈放电比容量分别为548mAh/g、705mAh/g以及819mAh/g,充电比容量分别为152mAh/g、257mAh/g以及421mAh/g(充电比容量),库伦效率分别为21.89%、36.45%和51.4%,电池在少量循环中(前10圈),比容量随着RP含量增加而增大;在长圈期循环(100圈)中,放电比容量和充电比容量分别为113mAh/g和113mAh/g、97.5mAh/g和96.7mAh/g、33.4mAh/g和33.4mAh/g RP,RP含量低的复合材料比容量以及稳定性表现更好。