多环芳烃及其衍生物在二次电池负极材料中的电化学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:thinkcell
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当今,随着化石燃料资源的匮乏、环境问题的凸显和电动车市场的壮大,人们对储能器件的要求越来越高。在各种二次电池中,锂离子电池(LIBs)虽然具有高比能量、高比功率、响应速度快等优点,但锂资源稀缺问题难以从根本上得到解决。钠的化学性质与锂相似,其储量丰富、易于开发且成本低廉的显著优点使得钠离子电池(SIBs)被认为是LIBs的有力替代品。现阶段用作SIBs的负极材料普遍存在循环稳定性差和钠离子扩散动力学缓慢等问题,因此研发出新型储钠电极材料以满足高能量大功率储能器件的要求是当务之急。本文通过“自下而上”的有机合成方法高效制备了多环芳烃六苯并蔻(Hexabenzocoronene,HBC)及其衍生物HBC-OMe,它们在作为SIBs负极材料时,均表现出优异的循环稳定性和倍率性能。利用多种测试方法对目标产物HBC进行微观形貌、晶体结构及化学组成的表征,包括X射线衍射测试、扫描形貌测试、透射电镜测试和拉曼光谱测试,结果表明HBC是由亚微米一次颗粒堆积而成的团聚体,具有丰富的孔隙结构和较大的层间距;采用恒电流充放电测试和电化学阻抗测试评估了HBC作为SIBs负极材料的电化学性能。在0.1 A g-1的电流密度下循环400圈后,HBC的可逆充电比容量高达326 m Ah g-1,容量保持率高达95%,表明其具有出色的循环稳定性;阶梯充放电时,在5 A g-1大电流密度下,HBC仍具有83m Ah g-1充电比容量;当再次以0.1 A g-1的电流密度充放电时,其容量保持率高达96%。HBC表现出出色的倍率性能和长循环稳定性,这与其较大的层间距有利于钠离子传输和亚微米颗粒间丰富的孔隙有利于形成能维持结构完整的固态电解质界面(SEI)膜有关。此外,我们还制备了多环芳烃衍生物HBC-OMe并用作SIBs负极材料。在电流密度为0.1 A g-1下,HBC-OMe具有高达365 m Ah g-1的可逆充电比容量,循环110圈后的容量依然保持在341 m Ah g-1,容量保持率高达86%,表现出较突出的循环稳定性;在大电流密度1 A g-1下进行充放电时,HBC-OMe的充电比容量可以维持在205 m Ah g-1,容量保持率达85%以上,结果表明该材料具有突出的循环稳定性和倍率性能;表现出的可逆容量衰减可能由于循环过程中颗粒表面SEI膜的过度累积造成储钠活性点减少和钠离子扩散受阻等原因。
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