论文部分内容阅读
目前,化石能源的使用带来的资源枯竭及日益严重的环境问题使人们更多的考虑风能,太阳能等可再生能源,但是其输出功率在时间分布上不连续及空间分布上的不平衡,需要储能电池用于电网调节。在各种电化学器件中,锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命、环境友好等特点,在智能电网储能中具有其优势。相比小型移动设备电池及动力电池,储能电池对材料性能也有新的要求,低成本与长循环寿命是储能电池最主要的要求,同样也要求有高功率与安全性。本文基于储能电池的需求,研宄了几种用于锂离子电池及钠离子电池的负极材料。
本论文中我们提出一种以离子液体为前驱体对Li4Ti5O12进行氮元素掺杂的碳包覆的新思路。相比传统碳源蔗糖及气相热沉积方法包覆,离子液体可在较低温度下裂解形成均匀包覆层,包覆后的多孔Li4Ti5O12表现出优异的倍率性能与循环稳定性,10C下容量保持率为88%,2C下循环2200周容量保持率为83%。通过对电荷转移电阻及电子电导率的测量,提出其动力学性能提高可能与氮掺杂在碳包覆层中形成的大量缺陷与孤对电子有关。
为了进一步提高储能电池的能量密度,我们研究了低成本、高容量,且具有与Li4Ti5O12相当储锂电位的硫化物负极材料。在本论文的最后一部分工作中合成了FexMn1-xS固溶体。发现在x小于一定值时,六角结构的FeS和立方结构的MnS可以形成具有立方结构的固溶体。通过形成固溶体,平均储锂电位调制到了FeS和MnS之间,且相比MnS的库仑效率和循环性能得到很大的改善。Fe0.5Mn0.5S放电到0.5 V可逆容量为500 mAh/g,首周库仑效率为80%。结合原位与非原位XRD、XAS、TEM等手段,对Fe0.5Mn0.5S的嵌锂机理进行了研究,发现在首周放电过程中发生均一的相转变反应,形成无定型的Fe、Mn单质及Li2S;但在充电过程中,Fe区和Mn区显示出不同的变化,Mn重新结晶为MnS微晶,而Fe区仍保持无定型结构。
本论文研究了几种钠离子电池负极材料。发现Li4Ti5O12也可以作为高性能的钠离子电池负极材料,平均储钠电位在0.9 V,有3个钠的可逆嵌入与脱出。通过优化电解液与电极粘结剂,Li4Ti5O12在钠离子电池中表现出优良的性能,容量稳定保持在155 mAh/g左右,库仑效率达到99.5%以上。结合非原位XRD与理论计算,我们提出了一种新的三相反应的嵌钠机制,并通过STEM观察得到了验证,在半放电态的电极中直接观察到了Li4Ti5O12、Li7Ti5O12及Na6LiTi5O12的三相共存。还初步研究了合金类材料Sn、有机电极材料Na2CsH4O4的嵌钠行为、过渡金属氧化物Co33O4及硫化物FeS的储钠性能。Na2C8H4O4的平均储钠电位在0.413 v,有250 mAh/g的可逆容量,通过ALD方法对电极表面进行Al2O3包覆,显著提高了电极的首周效率,倍率及循环性能。