【摘 要】
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双离子电池因其高能量密度、低成本以及环境友好等优点引起人们的广泛关注。与传统的碱金属离子电池相比,双离子电池具有一种新颖的工作机理,在充放电过程中,阴离子和碱金属阳离子同时分别嵌入/脱出正、负极材料。此外,采用双炭电极的双离子电池构型可避免昂贵有毒的金属氧化物材料的使用。然而,这种电池构型仍受到一些负面问题的阻碍。如,正极高电压特性会引起电解液氧化分解,大尺寸阴离子反复嵌入/脱出会引发石墨结构崩塌
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双离子电池因其高能量密度、低成本以及环境友好等优点引起人们的广泛关注。与传统的碱金属离子电池相比,双离子电池具有一种新颖的工作机理,在充放电过程中,阴离子和碱金属阳离子同时分别嵌入/脱出正、负极材料。此外,采用双炭电极的双离子电池构型可避免昂贵有毒的金属氧化物材料的使用。然而,这种电池构型仍受到一些负面问题的阻碍。如,正极高电压特性会引起电解液氧化分解,大尺寸阴离子反复嵌入/脱出会引发石墨结构崩塌以及嵌入型石墨电极比容量有限等。基于此,本论文从电解液及电极材料两方面出发,一方面通过调节电解液浓度及种类构建了满足阴、阳离子嵌入需求的稳定电解液体系;另一方面通过在单一的合成体系中调节氨基酸与铁（III）配合物中硼掺杂量制备出缺陷可控的PF6-和Li+嵌入的正、负极材料。主要内容如下:（1）以天然石墨和软炭为电极材料,考察了电解液浓度和种类对PF6-嵌入行为的影响以及溶剂组成与负极稳定性之间的相容性关系。结果表明:阴、阳离子的嵌入行为对电解液浓度和种类有强烈依赖性,高浓度电解液可以降低PF6-起始嵌入电位,而低浓度电解液利于PF6-的扩散动力学,链状碳酸甲乙酯（EMC）比环状碳酸乙烯酯（EC）溶剂更利于PF6-嵌入正极层间。此外,EC溶剂是负极稳定性的关键组分,石墨和软炭负极在含EC的电解液中表现出优异的长循环稳定性。其中,软炭负极因其相对较大的层间距和部分非晶化结构表现出良好的倍率性能。得益于石墨正极和软炭负极的高容量和高倍率性能,石墨//软炭-双离子电池以EC/EMC混合溶剂的1 M Li PF6-EC/EMC（3:7,v/v）为电解液时,在580 W kg-1的功率密度下提供98 Wh kg-1的能量密度,且在1 A g-1下循环1000次容量保持率为86.9%。（2）基于配位化学,以富氮基团的氨基酸、氯化铁及硼酸为前驱体,通过调节金属配合物中硼含量制备出可供PF6-嵌入的石墨化介孔炭正极材料和Li+嵌入的硼掺杂多孔炭负极材料。多孔结构可为PF6-提供膨胀/收缩空间,高石墨化结构利于PF6-的嵌入动力学,缺陷含量最低的石墨化介孔炭正极表现出优异的倍率性能(在5 A g-1高电流密度下容量保持率为78%)和长循环稳定性(在5 A g-1电流密度下经1000次循环后容量保持率高达95.7%)。硼掺杂设计引入了大量缺陷、增加了Li+储存活性位点并改善了Li+扩散动力学,缺陷含量最高的硼掺杂多孔炭负极在0.2 A g-1下表现出高达606 m Ah g-1的储锂容量。由上述正负极组装的双离子电池在580 W kg-1的功率密度下,能量密度为130Wh kg-1,即使在29000 W kg-1超高功率密度下,仍能提供74 Wh kg-1的能量密度。
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