【摘 要】
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锂离子电池（LIBs）作为一种成熟的储能技术,已广泛应用于便携式电子设备,并逐渐应用于新能源汽车。然而LIBs的发展受到了资源短缺和成本上升等问题的限制,促使研究人员研究和开发可替代的能源存储设备。钾离子电池（KIBs）的储能机制与LIBs相似,且金属钾具有储量丰富、容易获取等优势,这些优势使得KIBs有望成为LIBs的替代品。然而,K+半径较大,导致KIBs的容量保持率较低,速率性能较差。开发能
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锂离子电池（LIBs）作为一种成熟的储能技术,已广泛应用于便携式电子设备,并逐渐应用于新能源汽车。然而LIBs的发展受到了资源短缺和成本上升等问题的限制,促使研究人员研究和开发可替代的能源存储设备。钾离子电池（KIBs）的储能机制与LIBs相似,且金属钾具有储量丰富、容易获取等优势,这些优势使得KIBs有望成为LIBs的替代品。然而,K+半径较大,导致KIBs的容量保持率较低,速率性能较差。开发能够快速稳定嵌入/脱出K+的正极材料是钾离子电池商业化的关键。近年来,钒酸盐由于理论容量高,结构和价态多样,电化学活性高等优点受到了人们的广泛关注。其中钒酸钠材料在LIBs、SIBs和水系ZIBs中作为正极材料被研究广泛,但在KIBs中研究较少,所以本论文选用了两种常见的钒酸钠材料(β-Na0.33V2O5和δ-NaxV2O5)作为钾离子电池的正极材料来探究其储钾性能。然后受到δ-NaxV2O5作为钾离子电池正极材料的启发,通过常规的方法直接合成出了含有钾源的钒酸钾材料(δ-K0.5V2O5),并对其进行了优化使其电化学性能有了进一步提升。具体研究工作如下:（1）β-Na0.33V2O5和δ-NaxV2O5材料的制备及其电化学性能研究。β-Na0.33V2O5和δ-NaxV2O5是两种常见的正极材料。其中β-Na0.33V2O5的晶体结构是隧道型结构,另一种δ-NaxV2O5材料的晶体结构是层状结构。为了探究两种材料的储钾性能,对它们进行了一系列电化学性能测试。测试结果表明δ-NaxV2O5的储钾性能优于β-Na0.33V2O5,这是因为δ-NaxV2O5具有相对较大的层间距离和扩散路径,能够充分容纳较大的K+,使其循环稳定性有了一定提升。（2）δ-K0.5V2O5和K0.5V2O/CNTs材料的制备及其电化学性能研究。受到δ-NaxV2O5材料的启发,通过常规方法直接合成了稳定的δ-K0.5V2O5材料,并对其电化学性能进行了一系列分析,发现单纯的δ-K0.5V2O5材料的电化学性能与δ-NaxV2O5相差不多,仍然需要进一步优化。在这里选择了将其与碳材料复合来进行优化。结合δ-K0.5V2O5材料的一维结构,将它与常见的CNTs进行复合,做成了柔性的KIBs正极材料。电化学研究表明,该K0.5V2O5/CNTs电极在50 m A g-1的电流密度时具有约90 m Ah g-1的可逆放电容量,经过100次循环后的容量保持率为88.8%。此外,由K0.5V2O5/CNTs薄膜正极和硬碳负极组成的全电池在50 m A g-1时的放电容量为68 m Ah g-1,循环80次后的容量保持率为＞80%。在柔性K0.5V2O5/CNTs薄膜电极的基础上,制备了线状的柔性钾离子全电池,并表现出良好的电化学性能和柔性。
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