【摘 要】
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由于钠资源具有含量高、分布均匀、成本低等特点,以钠为原料的钠离子电池(SIBs)成为最有潜力可替代锂离子电池的材料。一直以来,钠离子电池负极材料发展缓慢,限制了其产业化的进程,所以对负极材料的重点突破是目前的燃眉之急。硒化锡作为典型的氧族锡基化合物,在电极反应中同时兼有转换和合金化反应,具有较高的理论容量,但目前由于其自身较低的电子电导率、在充放电过程中合金化反应引起较大的体积膨胀并且可逆性差等问
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由于钠资源具有含量高、分布均匀、成本低等特点,以钠为原料的钠离子电池(SIBs)成为最有潜力可替代锂离子电池的材料。一直以来,钠离子电池负极材料发展缓慢,限制了其产业化的进程,所以对负极材料的重点突破是目前的燃眉之急。硒化锡作为典型的氧族锡基化合物,在电极反应中同时兼有转换和合金化反应,具有较高的理论容量,但目前由于其自身较低的电子电导率、在充放电过程中合金化反应引起较大的体积膨胀并且可逆性差等问题,严重影响其电化学性能。根据上述这些问题,本论文从结构设计出发,通过用一种简单的方法制备了Sn Se2@Sn O2碳包覆复合材料,改善硒化锡负极材料的电化学特性。无定形炭中的硬碳材料,是当下最先应用于钠离子电池商业化的负极材料。硬碳的制备大多是采用酚醛树脂、沥青等价格比较高昂的材料作为碳源,为了提高钠离子电池的经济性并加快推进商业化进程,本论文致力于开发同时具备价格和性能优势的硬碳材料,分别采用无烟煤和废旧轮胎为初始碳源制备硬碳用于钠离子电池负极材料。论文主要研究内容包括:首先,采用水热法和一次两段高温热处理方法,成功制备出了Sn Se2@Sn O2碳包覆复合材料。该材料拥有类似于散乱分布三明治似的结构,有效地促进Na+的嵌入/脱出和支撑Sn Se2在循环中所引起的体积膨胀,并在碳包覆的情况下,显著提高了材料的电子电导率。该材料的电化学性能表现突出,在电流密度为0.1 A g-1下,该负极材料的首次放(充电)电比容量为660.1(547.9)m A h g-1,首次库仑效率(ICE)为83%。本实验为转换型负极材料共有的体积膨胀、低电导率等问题提供了一种解决方案。其次,采用高浓度碱预高温退火处理和酸处理方法相结合成功的去除无烟煤中的杂质,并经高温炭化得到了硬碳材料,该硬碳表现出了优异的循环稳定性和倍率性能。样品WYM-1200W在50 m A g-1的电流密度下,首次放电(充电)比容量为311.11(252.0)m A h g-1,ICE为81%;在5 A g-1的大电流密度下,表现出107 m A h g-1的高可逆比容量。本工作为钠离子电池的商业化提供了一种成本低廉、制备简单和碳转化率高的硬碳负极材料。同时,采用高浓度碱预高温退火处理和酸处理方法成功的除去废旧轮胎中的杂质,高温炭化制得了硬碳。该材料在钠离子电池中,同样显示出了优良的电化学性能。样品LT-1100在100 m A g-1时,首次放电(充电)比容量分别为300.0(220.2)m A h g-1,ICE为73.4%;在2 A g-1的大倍率下比容量高达176.8 m A h g-1。两种方法为推动硬碳材料迈向实用化钠离子电池应用提供了实验指导,尤其是最后一种方案为降低碳排放量和资源的回收再利用贡献新思路,符合目前低碳经济,即“碳中和”的世界发展格局。
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