【摘 要】
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锂离子电池作为目前最重要的二次电池之一,在电动汽车、便携式电子设备等领域得到了广泛应用。然而,锂资源的大量开发导致资源的紧缺以及价格的不断攀升,这将制约锂离子电池的进一步发展。因此,探索新型的电化学储能设备具有十分重要的意义。由于钾元素与锂元素处于元素周期表中的同一主族,具有相似的物理化学性质,且钾资源丰富、成本低廉,钾离子电池(KIBs)在大规模储能技术中具有一定的竞争力。但是,钾离子具有较大的
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锂离子电池作为目前最重要的二次电池之一,在电动汽车、便携式电子设备等领域得到了广泛应用。然而,锂资源的大量开发导致资源的紧缺以及价格的不断攀升,这将制约锂离子电池的进一步发展。因此,探索新型的电化学储能设备具有十分重要的意义。由于钾元素与锂元素处于元素周期表中的同一主族,具有相似的物理化学性质,且钾资源丰富、成本低廉,钾离子电池(KIBs)在大规模储能技术中具有一定的竞争力。但是,钾离子具有较大的离子半径,不利于在传统的正极材料中嵌入脱出。因此,开发具有优异性能的储钾正极材料对于钾离子电池的发展具有十分重要的意义。作为一种三维开放框架结构材料,普鲁士蓝类似物具有宽敞的离子通道,有利于钾离子的嵌入脱出,近年来得到了广泛关注。但是,这类材料仍然存在倍率性能差、循环寿命短等问题。本文围绕铁基普鲁士蓝(FeHCF)材料开展研究,探究了镍基普鲁士蓝(NiHCF)和聚多巴胺(PDA)包覆对材料电化学性能的影响,又探究了在制备FeHCF材料过程中,添加氯化钠对材料结构及性能的影响。主要内容及成果如下:(1)通过原位生长的方法制备了具有核壳结构的FeHCF@NiHCF材料,NiHCF的包覆提高了材料的导电性,稳定了材料的结构,同时在大电流密度下能够提供更多与C配位的Fe2+/Fe3+电对参与氧化还原反应,从而提升了材料的倍率性能和循环性能。在500mA g-1的电流密度下,放电比容量为79.24 mAh g-1,相比FeHCF提升了465%。而在200mA g-1的电流密度下,循环250圈后放电比容量仍有78.72 mAh g-1,容量保有率为80.38%。(2)采用原位聚合的方法将FeHCF@NiHCF进行PDA修饰,构筑了FeHCF@NiHCF@PDA材料。PDA的修饰能够进一步提升材料的电化学性能。相比于FeHCF@NiHCF,材料在50 mA g-1的电流密度下放电比容量从104.79 mAh g-1提高到115.06 mAh g-1,在500 mA g-1的电流密度下的放电比容量则从79.24 mAh g-1提高到94.72 mAh g-1。而在200 mA g-1的电流密度下循环250圈后放电比容量仍有93.51 mAh g-1,容量保有率为86.16%。(3)通过在制备FeHCF材料的反应过程中添加氯化钠,诱导形成NI-FeHCF材料。该材料由于具有较低的结晶水和[Fe(CN)6]4-空隙含量,因此具有较好的电化学性能。该材料在50 mA g-1的电流密度下容量可以高达125.89 mAh g-1,即使在500 mA g-1的大电流密度下,其放电比容量仍有82.00 mAh g-1。而在200 mA g-1的电流密度下循环250圈后放电比容量仍有85.68 mAh g-1,容量保有率为79.71%。另外,较少的[Fe(CN)6]4-空隙使得更多的C-Fe2+/Fe3+氧化还原电对参与到充放电过程中的氧化还原反应,其对应的高电压平台的放电比容量从39.41 mAh g-1提高到54.65 mAh g-1,显著提高了该材料的能量密度。
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