铋基材料的电化学储能研究

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铋基材料具有较高的比容量、合适的工作电位和独特的合金化能力,是极有潜力的高性能电极材料,在电化学电池领域吸引了众多研究者的关注。在工作过程中,铋基负极材料通过转化反应和合金化反应脱嵌离子,通常伴随着巨大的体积变化,导致活性物质颗粒粉化和电极容量衰减。因此,如何避免充放电过程中电极结构的粉化,改善电极的循环性能,一直都是研究的重点和难点。本论文以铋基材料氧化铋(Bi2O2.33)、硫化铋(Bi2S3)以及单质铋(Bi)为研究对象,采用多种方法调控它们的微观结构和电化学储锂、储钠性能。具体研究内容如下:(1)通过溶剂热法合成Bi2O2.33与还原氧化石墨烯(r GO)构成的复合材料Bi2O2.33/r GO。大量的Bi2O2.33量子点散落在r GO纳米薄片上,使得合成的材料同时具备高电导率、大表面积和柔韧性等特点。在10 C高充放电倍率下,循环600圈之后该复合材料仍可保留346 m Ah g-1的比容量,远高于未复合r GO的Bi2O2.33材料。(2)设计并合成了聚吡咯(PPy)包裹的Bi2S3纳米线组装体。该Bi2S3-PPy核-壳结构中,Bi2S3内核具有大孔隙空间和短传输距离,便于离子的传输和嵌入;PPy外壳具有良好的导电性和柔韧性,能够包容离子嵌入脱出过程中引起的体积变化。该材料展现出极其出色的储锂循环性能和倍率性能,2 C充放电倍率下,循环500圈后容量保持率为99%;10 C高充放电倍率下,比容量达到337 m Ah g-1。该材料也具有较高的储钠容量,但循环稳定性有待进一步提高。深入研究表明,该材料在储锂和储钠性能上存在的差异,与合金化反应的体积膨胀率密切相关。(3)采用电沉积法直接在Cu箔上生成金属Bi,然后通过原子层沉积技术在Bi的表面包覆Al2O3保护层,得到无需粘结剂的Al2O3/Bi/Cu电极材料。当使用Na PF6-二甘醇二甲醚电解液时,Al2O3/Bi/Cu复合电极呈现良好的电化学储钠性能。0.5 C充放电倍率下,循环100圈之后可逆容量仍高达380 m Ah g-1,容量保持率为96.7%;10 C高充放电倍率下,可逆容量也能达到345 m Ah g-1。
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