【摘 要】
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由于化石燃料的枯竭和污染,各种绿色能源如风能、太阳能、水能和潮汐能被用来代替化石燃料。然而,由于其不稳定性和不连续性,这类能源无法直接输入到当前的电网系统中。因此,如何调节不稳定电压和间断发电是解决上述挑战的关键问题。在智能电网中集成大规模储能系统是提高供电安全的一种途径。在目前的储能技术中,锂离子电池(LIBs)因其能量密度高、寿命长而被认为是最有前途的储能系统器件之一。然而,在未来,锂离子电池
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由于化石燃料的枯竭和污染,各种绿色能源如风能、太阳能、水能和潮汐能被用来代替化石燃料。然而,由于其不稳定性和不连续性,这类能源无法直接输入到当前的电网系统中。因此,如何调节不稳定电压和间断发电是解决上述挑战的关键问题。在智能电网中集成大规模储能系统是提高供电安全的一种途径。在目前的储能技术中,锂离子电池(LIBs)因其能量密度高、寿命长而被认为是最有前途的储能系统器件之一。然而,在未来,锂离子电池在大规模储能的发展可能会被锂资源的高价格所阻碍,因为地壳中的的锂元素含量很低(质量含量只有0.0017?%)。由于地壳中钠的丰富资源,而锂资源面临枯竭,钠离子电池有望替代锂离子电池成为下一代能源存储设备的首选。但是,钠离子电池的发展仍然停留在初级阶段,有很多问题亟待解决,因其比锂离子更大的离子半径(Li+(0.076 nm),Na+(0.102 nm)),导致了较差的循环寿命,低功率密度以及缓慢的离子动力学。设计优异性能的负极材料可以有效解决上述问题。其中,金属磷化物负极有着安全的运行电压,热稳定性优异,比容量高等优点,并且磷的储量丰富,价格低廉。本论文以(铜,镍)磷化物为研究对象,通过简便清洁的实验方法,设计出了性能优异的(铜,镍)磷化物负极材料,并对其进行了详细的分析与论证。本论文的主要研究内容如下:(1)我们借助“外延生长”法,在高温下、惰性气体中通过一步反应成功合成出了氮掺杂的新型三维状的Cu3P@C纳米片异质结构。纳米片分散良好,自发组装成花状结构,有利于抑制材料在钠离子电池循环过程中的团聚效应。同时,Cu3P@C为碳包覆Cu3P的纳米片材料,均匀生长在Cu3P表面的氮掺杂碳层有利于增加材料的导电性,抑制Cu3P在电池循环反应中的材料破碎,从而较好的提升钠离子电池负极材料的倍率性能及循环稳定性。作为钠离子电池负极材料,Cu3P@C在0.1 A g-1电流密度下,可逆容量达到340.7 m Ah g-1,且首圈库伦效率高达89%。在大电流密度5 A g-1下下循环充放电2000圈任然能够保持118 m Ah g-1,平均每圈容量衰减率0.013%。(2)以含磷树脂和泡沫镍为前驱体,在高温下含磷树脂裂解释放出的C-P裂解气在泡沫镍的催化下,生成了碳包覆磷化镍的纳米棒核壳结构。棒状的磷化镍二维结构拥有较大的比表面积,使大量的钠离子参与反应,有利于钠离子在充放电过程中的穿梭。磷化镍表面均匀生长的氮掺杂碳层有利于抑制磷化镍在循环过程中材料的体积膨胀与破碎,增加材料的导电性。同时,在碳层与磷化镍纳米棒之间存在着通道,有利于电解液的浸润,提高Ni2P@NC的电化学性能。在0.1 A g-1电流密度下,Ni2P@NC的可逆容量达到了343.2 m Ah g-1。在大电流密度2 A g-1下循环充放电2000圈任然有151 m Ah g-1的比容量。
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