高稳定铌基浆料电极构筑及电化学性能研究

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全球低碳排放目标的实现迫切需要新型储能技术的支撑。电化学储能技术不仅具有安全性和经济性等优点,还不受地理环境的限制。其中锂浆料液流电池或半固态液流电池可将锂离子电池的高能量密度优点和氧化还原液流电池的灵活模块化设计优点相结合,是一种备受关注的新型大规模储能技术。针对商业活性材料在构筑高稳定浆料时的局限性,我们从制备各向异性且不易形成固体电解质界面层(SEI)的负极材料出发,分别研究了活性物质含量和导电剂含量对浆料电子电导率和流变性的影响。本论文获得如下进展:(1)成功构筑出一维Nb2O5@C/CNTs基浆料并获得浆料电子电导率随活性物质含量的变化规律。实验结果表明在形成导电网络的条件下,浆料的电子电导率随着活性物质含量的增加呈先增加后减少的近似钟形曲线。加入碳纳米管后,活性材料与导电剂科琴黑(KB)的最佳匹配点从8 wt.%(Nb2O5@C)增加到16wt.%(Nb2O5@C/CNTs)。以改性后的材料组装浆料半电池呈现出优异的电化学性能,并且在液流反应器中成功充放电。在静态模式下,Nb2O5@C/CNTs基浆料的平均比容量为217 m Ah g-1,库伦效率大于92%。间歇模式下,在242 h的充放电过程中库伦效率相对稳定。(2)构筑出二维Ti2Nb2O9/C基浆料并揭示了浆料电子电导率随导电剂含量的变化规律。具有合适厚度和开放边缘的二维纳米片为传质和离子扩散提供了更多连续的框架。浆料的电子电导率随着KB含量的增加先迅速增加后缓慢增加。类似石墨烯的褶皱片层和表面包覆的碳层可以防止纳米片的堆积并且促进浆料中连续导电网络的形成。我们使用10Ti2Nb2O9/C-1.5KB基浆料组装了软包电池,在1 m A cm-2的电流密度下,经过100圈循环后容量保持率为73.1%。在静态模式下,10Ti2Nb2O9/C-1.5KB基浆料在反应器中的平均比容量为228.6 m Ah g-1,库伦效率大于98%。综上所述,使用改性后的材料制备的浆料具有优异的循环和倍率性能。高稳定浆料电极的制备有助于高能量密度锂浆料液流电池的构建,对浆料电子电导率和流变性的系统研究可促进锂浆料液流电池的发展。
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