赝电容增强钠离子电池负极材料的制备及电化学性能研究

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钠离子电池因与锂离子电池相比具有原料丰富、成本低廉,环境友好的特点,被广泛研究并有望应用于大尺寸、电网级能量存储。为实现比传统的碳材料更高的容量,近年来负极材料的研究重点转为转化式和合金式负极材料。但伴随高容量而来的是剧烈的体积变化和较差的导电性。碳包覆作为是一种常规策略以提升导电性并缓解体积变化对电极的影响,这样合成的碳复合材料表现出提升的稳定性,但是其倍率性能及大倍率下的稳定性依然不理想。考虑到这一问题,本文以氧化铁,金属铋和硫化锌为主要研究对象,通过材料设计,使材料具有明显的赝电容行为,在高倍率下能够表现出更高的赝电容贡献。通过这一策略,材料在高倍率下能够保持更高的容量,同时高倍率下的稳定性也有一定程度的提升。第一部分合成了介孔石墨碳封装纳米Fe2O3复合材料,并同时实现高电极-电解液界面、高导电性和缩短的Na+扩散距离。表现出优异的电化学性能,在8 A g-1的大电流下依然具有232 mAh g-1的可逆容量。通过动力学研究,发现其表现出显著的赝电容行为,在1.2 mV s-1的扫速下,赝电容贡献率为76%。第二部分通过静电纺丝法合成出Fe2O3-Bi金属碳纤维复合材料。一维碳纤维提高材料导电性;纳米尺寸Fe2O3和Bi金属之间丰富的界面提供更多的活性位点;同时Fe2O3和Bi金属同时发生体积膨胀,互相抑制。因为上面三个原因,材料表现出相当明显赝电容行为,1 mV s-1下赝电容贡献率高达85.5%。也因此表现出不错的倍率性能和大倍率下的稳定性。第三部分制备了掺杂聚吡咯包覆ZnS纳米球核壳结构。掺杂聚吡咯提高了材料导电性并缓冲ZnS电化学体积膨胀,同时,掺杂高氯酸根能够引入更多的氧化还原活性位点。也由于上面两个原因,该材料表现出显著的赝电容机理并具有高倍率性能。但大倍率下稳定性依然不够理想,有待提升。第四部分通过水热一锅法合成ZnS/CNT复合材料。其中,ZnS和CNT之间的耦合关系使材料表现出显著的赝电容行为,表现出相当不错的循环稳定性和高倍率性能。在大倍率下也表现出一定的稳定性,5 A g-1下500周后保持313 mAh g-1。高性能主要是因为材料中高赝电容贡献,1 mV s-1下贡献率高达92.9%。
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