【摘 要】
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能源存储技术在近几十年取得了进展性的突破,其中锂离子电池(LIB)具有能量密度大,循环稳定性好等各种优点,被应用于生产和生活的多个方面。然而,因为锂资源供应有限,使其可持续性受到影响,锂矿价格的不断上升也影响了锂离子技术的发展。为了缓解这些问题,需要着重研究替代性的能源储存系统。其中,钠和钾在地球上的矿产资源丰富,价格远低于锂。钠离子电池(SIB)和钾离子电池(PIB)具有和锂离子电池相似的性质,
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能源存储技术在近几十年取得了进展性的突破,其中锂离子电池(LIB)具有能量密度大,循环稳定性好等各种优点,被应用于生产和生活的多个方面。然而,因为锂资源供应有限,使其可持续性受到影响,锂矿价格的不断上升也影响了锂离子技术的发展。为了缓解这些问题,需要着重研究替代性的能源储存系统。其中,钠和钾在地球上的矿产资源丰富,价格远低于锂。钠离子电池(SIB)和钾离子电池(PIB)具有和锂离子电池相似的性质,有望作为其绝佳的替代品。但是,由于钠离子和钾离子巨大的原子半径阻碍了其自身的快速迁移,而且充放电过程中的体积膨胀也会破坏材料的结构。因此,寻找稳定高效的正极材料具有重要意义。二硫化钛(Ti S2)作为最早的锂离子电池正极材料之一,具有层状结构稳定,嵌脱性能好、理论容量高、导电能力强的优点。但是当Ti S2作为钠离子电池或钾离子电池正极材料时,其循环稳定性差,倍率性能不佳。针对该问题,本论文使用了化学预嵌入法将K+/Na+预先嵌入Ti S2层间,用于增强材料的结构应力,增加材料循环过程中嵌K+/Na+的活性位点,提高电池的循环稳定性。并且使用退火还原法对Ti S2的形貌结构进行优化,进一步提高了其性能。具体工作分为以下两个方面。(1)预嵌入法制备KxTi S2微米片及其电化学性能研究。在这项工作中,采用一种化学方法,在Ti S2微米片层间预嵌入钾离子,形成六方型风琴状结构的KxTi S2,从而提高材料的循环稳定性和倍率性能。该方法扩大了层间距,改善了钾离子的扩散动力学行为。在0.05 A/g电流密度下获得了102 m Ah/g的初始可逆比容量,200次循环后容量为95 m Ah/g,具有较高的保持率。与原样品相比,倍率性能有了显著提高,在10 A/g的高电流密度下,比容量达到了46 m Ah/g。充足的钾源使KxTi S2作为正极材料成为可能,它与碳材料结合形成一个比容量高、循环稳定性好的全电池。全电池测试区间为0.01-2.7 V,初始放电比容量73m Ah/g,在100次循环后,放电比容量为37 m Ah/g,具有较高的循环保持率。(2)预嵌入法构筑NaxTi S2微纳米材料及其储钠性能研究。在本工作中,首先制备了NaxTi S2微米片材料测试了其循环性能。为了进一步提高NaxTi S2微纳米材料的性能,对微米片的形貌结构进行了优化。通过高温退火的方法将Ti S3纳米线还原为Ti S2纳米线,使其具有纳米级的一维结构,该结构具有大的比表面积,为材料提供了更多的活性位点。在此基础上,同样使用化学预嵌入的方法,将钠离子嵌入Ti S2纳米线层间形成NaxTi S2纳米线。该材料具有良好的嵌脱性能和赝电容属性,循环的库伦效率接近100%,500次循环后放电比容量高达159 m Ah/g。更突出的是,NaxTi S2纳米线拥有极佳的倍率性能,1 A/g大电流下循环500圈依然有116 m Ah/g的高比容量。
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