纳米结构Sb基负极材料的合成及其储钠特性

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钠离子电池凭着钠资源分布广,成本较低,安全性能优良等优势,被认为是一种潜在的储能电池,适用于大规模储能领域。研究开发出新型实用高性能的负极材料是推动钠离子电池发展的关键所在。锑基合金负极材料因其合成工艺简便,比容量高等优点,逐渐被认为是一种有前景的钠离子电池负极材料,但是金属锑在储钠过程中,与钠形成合金导致体积变化大,产生了不可逆的容量损失,严重阻碍了其在钠离子电池中的实际应用。本论文通过设计和构建纳米结构锑基合金负极材料,结合多孔碳复合策略,抑制锑的体积变化,提升储钠性能,主要研究内容如下:一、本章通过简单的还原沉淀合成3D多孔结构Sb-Co纳米复合材料,并用作钠离子电池负极材料。Sb-Co纳米复合负极展示了出色的倍率性能和循环性能,在60m A g-1时提供717.6 m A h g-1的可逆容量,即使在6000 m A g-1的高电流密度下,也提供了377.8 m A h g-1的可逆容量。多孔Sb-Co纳米复合材料储钠性能的改善可归因于Sb纳米颗粒,3D多孔纳米结构和Co元素的协同作用。二、采用溶剂热法成功合成了纳米中空结构Ni Sb@PEO复合材料。与中空纳米球形Ni Sb材料进行对比,发现Ni Sb@PEO用作钠离子电池负极,具有更高的容量、更优异的循环与倍率性能。在100 m A g-1电流密度下,Ni Sb@PEO的初始充电容量为430 m A h g-1,50次循环后充电容量仍保持390 m A h g-1,库伦效率基本保持在95%以上,即使在1600 m A g-1电流密度下,依然能够具有284 m A h g-1的充电容量,当电流密度降到50 m A g-1,充电容量能恢复到390 m A h g-1。上述结果证实中空纳米球形Ni Sb@PEO能够适用于动力型钠离子电池。三、以Na-Cl作为模板,柠檬酸铵为碳源和氮源,采用冷冻干燥和低温烧结两步法合成Fe Sb/N-C纳米复合材料,扫描电镜和透射电镜照片表明直径为20 nm的Fe Sb合金颗粒牢固的锚定在氮掺杂的多孔碳网上。Fe Sb/N-C纳米复合材料作为钠离子电池负极,在100,200,400,800,1600和3200 m A g-1的电流密度下,可逆充电容量分别为330,300,265,236,210和187 m A h g-1;当电流密度回到100 m A g-1,充电容量又回复到了296 m A h g-1,库伦效率保持在98%以上。在1100 m A g-1(2.5 C)电流密度下,材料经过1000次循环后充电容量依然能够保持在221 m A h g-1,且库伦效率始终接近100%,电极材料表现出的循环稳定性能主要是由于N掺杂的碳纳米网结构与镶嵌在其中的Fe Sb纳米颗粒协同作用可以实现复合材料的结构稳定,可以避免Fe Sb纳米颗粒在充放电过程中的直接暴露在电解液中,同时这种结构能够有效的缩短钠离子的传输途径,增强带电粒子的传输速率,提升材料整体的导电性。
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