钠硫电池中β"-氧化铝陶瓷电解质的表面修饰研究

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近年来,太阳能、风能等可再生能源的利用越来越被重视,由于这些能源具有不稳定性和不可预测性,对它们的输出进行稳定成为实际应用的关键。基于钠离子导电的β"-氧化铝作为陶瓷电解质和隔膜的钠硫电池是最有前景的大规模储能技术之一。钠硫电池电极与固体陶瓷电解质之间的界面是影响电池电化学性能和安全性能的一个重要因素。   鉴于钠/β"-氧化铝界面所存在的问题和传统解决方法的局限性,本论文设计通过软模板法和湿化学法直接在β"-氧化铝陶瓷上制备多种高表面能的多孔修饰层,在增强对钠润湿性,改善界面极化的同时,有效抑制杂质对界面电阻的负面影响。我们在β"-氧化铝表面制备了多孔碳膜、多孔氧化铁膜和镍纳米线网络膜三种多孔修饰层结构,通过分析多孔修饰层的形成机理并调节实验参数,实现了多孔修饰层的可控合成。润湿性能测试表明,多孔修饰层可以明显改善熔融钠在β"-氧化铝上的润湿性,且该润湿行为受多孔层的孔隙率、厚度和表面结构的影响。所得到的最佳润湿性能的镍纳米线网络膜的方块电阻低至1Ωsq-1。   将Na/β"-氧化铝/Na对称电池用于研究钠/β"-氧化铝的界面性能,实验结果显示,多孔修饰层的引入能有效地改善Na/β"-氧化铝与钠极之间的界面极化,降低界面电阻,在电池循环过程中多孔碳膜和镍纳米线网络膜均表现了良好的稳定性。另外,通过调整制备碳膜和镍膜的工艺参数,我们将多孔碳膜和镍纳米线网络膜成功地在β"-氧化铝管表面原位合成,为其在钠硫电池中的实用提供了便利的制备工艺。   针对硫/β"-氧化铝界面所存在的问题和传统解决方法的局限性,本论文设计了由导电性好的金属和耐硫腐蚀性强的碳复合形成的多孔涂层,通过化学法将该多孔涂层直接包覆在β"-氧化铝陶瓷电解质表面,更具体地,我们利用湿化学法在β"-氧化铝陶瓷表面制备了均匀的镍/碳纳米复合多孔膜,有效地增强了导电网络与固体电解质之间的接触,降低了硫极界面电阻。通过红外和热分析,我们提出了该镍/碳复合膜的形成机理。通过调整氨水和PVP在前驱体中的浓度实现了对镍/碳复合膜形貌的控制。该镍/碳膜的方块电阻低至117Ωsq-1。镍/碳复合膜修饰层可以明显地改善熔融硫在β"-氧化铝上的润湿性。通过测试镍/碳复合膜修饰前后的NaNO3/β"-alumina/S/carbonfelt电池的界面性能发现,镍/碳复合膜的引入能有效地降低S/β"-氧化铝界面电阻。但由于碳未完全覆盖镍表面,镍/碳复合膜与硫长时间接触时,硫仍对膜产生一定的腐蚀。尽管如此,其界面电阻仍明显小于未修饰电池的界面电阻,因此镍/碳纳米复合多孔膜是一种较为有效的钠硫电池硫极中间层。
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