【摘 要】
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钠离子电池作为锂离子电池潜在的替代品,在储能领域引起了广泛关注。过渡金属硒化物凭借其种类繁多、含量丰富、价格低廉、初始库伦效率高以及理论比容量较高等优势,在众多钠离子电池负极材料中脱颖而出。然而,其在作为钠离子电池负极材料时仍存在诸多缺点,如导电性差,颗粒团聚严重以及体积效应明显等。这使得其动力学行为和电化学稳定性较差。这些缺点限制了其在钠离子电池中的进一步应用。针对以上问题,研究者们采用一系列的
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钠离子电池作为锂离子电池潜在的替代品,在储能领域引起了广泛关注。过渡金属硒化物凭借其种类繁多、含量丰富、价格低廉、初始库伦效率高以及理论比容量较高等优势,在众多钠离子电池负极材料中脱颖而出。然而,其在作为钠离子电池负极材料时仍存在诸多缺点,如导电性差,颗粒团聚严重以及体积效应明显等。这使得其动力学行为和电化学稳定性较差。这些缺点限制了其在钠离子电池中的进一步应用。针对以上问题,研究者们采用一系列的改性策略来提升过渡金属硒化物的储钠性能,主要包括结构设计、碳复合改性、电解质优化、截止电压优化以及控制材料组成等。其中研究最多的也是改性效果最明显的是碳复合改性和纳米化结构设计。碳材料的加入不仅能有效缓解材料在充放电过程中因体积膨胀所带来的结构破坏和容量迅速衰减等问题,还能提高材料整体的导电性。而将过渡金属硒化物进行纳米化结构设计,不仅可以缩短Na+的扩散距离,提升材料储钠的动力学行为,还能减轻材料在充放电过程中的结构应变,从而有效提高材料的电化学储钠性能。然而,在已有的报道中,大部分过渡金属硒化物材料的制备过程中均存在一定的问题,如工艺较为繁琐、高成本甚至是对环境造成污染,并不能满足大规模生产以及绿色环保的要求。基于以上研究现状,在本论文中,针对材料的制备问题,我们寻求了一种过程简便、成本低廉、可规模化生产且环境友好的方法——直接固相反应法;针对材料导电性差、颗粒团聚严重、体积效应明显等问题,我们选择了可以对材料进行精准限域的碳基体——在室温下可与过渡金属离子形成配合物的碳源。实验结果显示,通过直接固相法引入的配体碳源,使得纳米尺度的过渡金属硒化物颗粒被均匀限域在杂原子掺杂的碳基体内,增强材料导电性的同时,有效缓解了颗粒团聚和体积膨胀等问题,最终使过渡金属硒化物的储钠性能得到了明显的提升。本论文具体工作如下:(1)以乙酸镍四水合物、邻香草醛和邻苯二胺为原料,通过直接固相法在室温下进行自组装固相反应,生成了双席夫碱与Ni(II)的配合物。随后与硒粉混合后进行高温煅烧,最终生成了三维N,Se共掺杂碳基体限域Ni Se纳米晶的复合材料(称为Ni Se(?)NSe C)。结果显示,其在0.1 A g-1的电流密度下循环100圈后可保持291 m Ah g-1的可逆充电比容量,保持率达88%。同时,在5 A g-1的大电流密度下,容量仍有197 m Ah g-1。(2)以乙酸锌二水合物、邻香草醛和邻苯二胺为原料,在室温下通过固相反应生成了双席夫碱与Zn(II)的配合物。随着碳化和硒化反应的进行,超细Zn Se纳米颗粒(~6.5 nm)在N,Se共掺杂的碳基体中原位形成(称为Zn Se(?)NSe C)。独特的三维结构使其展现了优异的循环稳定性(在0.1 A g-1下循环500圈后保持282 m Ah g-1的可逆充电比容量)和出色的倍率性能(在5 A g-1下容量保持198 m Ah g-1)。更重要的是,即使在1.0 A g-1的电流密度下循环1200圈后,其仍然保持238 m Ah g-1的可逆容量。(3)以乙酸锰四水合物和β-环糊精为原料,其中β-环糊精作为金属离子配体,在室温下可与Mn(Ⅱ)进行自组装固相反应,生成β-环糊精与Mn(II)的配合物。在经历碳化和硒化过程后,直径约30 nm的Mn Se纳米颗粒在Se掺杂的碳基体中原位形成(称为Mn Se(?)Se C)。独特的二维结构使其展现了优异的循环稳定性(在0.1 A g-1下循环500圈后可保持251 m Ah g-1的可逆充电容量)和良好的倍率性能(在5 A g-1下容量可保持134 m Ah g-1)。
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