CO2转化碳材料作为锂/钠离子电池电极材料的性能研究

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熔盐电化学技术是一种驱动力大、反应速率快、清洁无污染的反应手段。在含有碳酸盐的高温熔盐中,能将CO2作为碳源直接资源化成碳材料,在实现CO2减排的同时,不仅能将能量以化学能的形式储存在碳中,而且还可直接用作能源与环境材料。锂离子电池(Lithium ion batteries,LIBs)具有能量密度高、循环寿命长和清洁无污染等优点,在便携式电子设备和电动汽车等领域大规模运用,然而随之而来的价格上涨和资源消耗使得人们不得不未雨绸缪寻找锂离子电池的替代品。钠元素储量丰富,性质与锂相似,尽管钠离子电池(Sodium ion batteries,SIBs或NIBs)能量密度比锂离子电池低,但是在成本占重要考虑因素的大型电网级储能场合更具发展潜力。碳材料是锂/钠离子电池的重要电极材料,将二氧化碳转化碳材料用于二次电池,不仅可增加二氧化碳转化产品的附加值,同时也可为高容量低成本电极材料的可持续供应提供保障。本论文研究了熔融Li-Na-K三元碳酸盐中转化CO2制备的碳材料作为锂/钠离子电池的电极材料的性能,考察了熔盐电化学制备条件对CO2转化碳材料的形貌结构以及电化学性能的影响,建立形貌结构与电化学性能的联系,以获得高性能的电极材料。主要工作与结论如下:(1)研究了不同条件下熔盐电解制备的CO2转化碳材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。系统地总结了熔盐温度、电解电压对碳材料的形貌、尺寸、比表面积和孔隙结构的影响;通过循环伏安法阐释了锂离子在CO2转化碳材料中以嵌入/脱出反应和表面吸附/脱附反应为方式的储锂机制。得益于较小的颗粒尺寸和较大的比表面积,450℃、4.5V条件下制备的碳材料(记为T450-4.5V)呈现出最好的储锂性能:50 mA g-1电流密度下具有798 mAh g-1(石墨理论容量的2倍多)的容量潜力,500 mA g-1电流密度下充放电500次后仍有266 mAh g-1的容量。(2)研究了不同熔盐温度下制备的CO2转化碳材料作为钠离子电池负极材料的电化学性能以及活化过程对储钠性能的影响。吸附/脱附作用是该碳材料储钠的主要方式,低温下制备的拥有大量孔结构和高比表面积的T450-4.5V碳材料更具优势,表现出较高的储钠容量和良好的循环稳定性:500 mAg-1电流密度下在0~3V电压区间充放电600次有146.7mAh g-1的比能量。经活化过程,容量有显著的提升,500 mA g-1电流密度下循环1000次后仍保持188.2mAh g-1的比能量。(3)研究了不同熔盐温度下制备的CO2转化碳材料作为锂离子电池正极材料导电添加剂的可行性。与Super P对比,从LiFePO4/C电极的容量表现、电化学反应的可逆性以及电极体系的电化学阻抗三方面进行评价。高温下制备的T550-4.5V和T650-4.5V作为导电添加剂,能够使LiFePO4展现出较高的容量(60次循环后容量>120mAh g-1),但还有待改善。
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