钠离子电池金属硒化物/石墨烯复合负极材料的结构调控与界面设计

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锂离子电池拥有较高的可逆容量,较高的能量密度,使用的寿命长,安全性高等优势,在各种储能领域被广泛应用。然而,金属锂在地球中的含量较低,分布不均匀,导致其价格高昂,极大的限制它的发展。钠离子电池与锂离子电池的储存机理十分接近,同时金属的含量在地壳含量多,分布广,使得其价格较低,因此钠离子电池有望在商业上替代锂离子电池。可是钠离子半径比锂离子更大,导致其表现出的容量较低,不满足人们的需求。金属硒化物,其拥有较高的理论容量,是一种理想的钠离子电池电极材料。但其在充放电过程中,体积变化大,容易造成结构的破坏,同时其导电性能差,无法将容量完全发挥,在钠离子电池中表现不佳,因此需要对其进行改性研究。此外,近年来柔性电子器件不断发展,柔性电池具有可折叠,能量密度高,不使用粘结剂、导电剂和集流体的特点,吸引了人们的注意。但大多钠离子柔性电池容量较低,无法满足实际需求。因此将改性的金属硒化物应用与钠离子电池柔性电极中是一种极佳的策略。本文通过碳材料改性、材料结构调控、材料界面调控等策略,将还原性氧化石墨烯(rGO)与金属硒化物进行复合,制备出Bi4Se3/Bi2O2Se-CNTs-rGO和CoSe2-NiSe2-rGO柔性电极与Cu2-xSe-rGO粉末电极,同时表征其形貌,结构与电化学性能,并研究其储钠机理。本文具体成果如下:(1)通过溶剂法和气相沉积法制备Bi4Se3/Bi2O2Se-CNTs-rGO(BCG)柔性薄膜电极。当电流密度为1 A/g时,进行1000次充放电后,可逆容量仍然维持在105 m Ah/g,在不同的弯折条件下,均能稳定点亮小灯泡,展现优秀的电化学性能和柔韧性。同时当氧化石墨烯与Bi2Se3的比例为1:2时,会发生结构转化,原本的Bi2Se3变为Bi4Se3/Bi2O2Se异质结结构。(2)报道一种CoSe2-NiSe2-rGO柔性薄膜电极,其拥有优秀的柔韧性能和钠离子储存性能。在弯折90o,180o和完全卷曲的条件下,都能稳定点亮温度计,展现优秀的柔韧性能。当电流密度为0.1 A/g时,其可逆容量高达338 m Ah/g,进行100次充放电后,其可逆容量仍然维持在207 m Ah/g。特别的是,在5 A/g的大电流密度下时,可逆容量依然维持在120 m Ah/g,同时在2 A/g的电流密度下进行2000次充放电后,容量保持在118 m Ah/g。(3)通过简单的水热和硒化处理制备Cu2-xSe-rGO电极材料。Cu2-xSe-rGO电极材料中存在Cu的缺位,缺位结构提供了更高的可逆容量,电流密度为0.1 A/g时,首次库伦效率高达93.41%,充放电100圈测试后,可逆容量维持在366 m Ah/g。当电流密度上升到10 A/g时,6000次充放电测试后,仍然保持146m Ah/g的可逆容量,单圈容量的衰退率只有0.82%。
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