硬炭在醚类和离子液体基电解液中的储钠性能研究

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随着对大型储能电池的需求逐渐增加,钠离子电池由于其资源丰富,价格低廉且与锂性质相似等优点而被广泛关注。在钠离子电池的关键材料选择中,硬炭作为最有可能商业化的负极通过对其结构的优化在钠离子电池中被广泛研究。钠离子电池的电化学性能和安全性同时受电解液的影响,这不仅决定了电池的电化学窗口和能量密度,而且还控制着电极/电解液界面的性质。本文从钠离子电池有机电解液和离子液体电解液角度,探究硬炭在醚类和酯类电解液中的储钠性能以及新型离子液体结合有机溶剂作为混合电解液在硬炭电极中高温下的储钠性能研究。采用直接炭化法制备酚醛树脂基硬炭作为钠离子电池负极材料,其具有短程有序的无定型结构和适合储钠的大石墨微晶层间距(0.402 nm)。采用GITT、Ex-situ EIS、不同扫速CV、XPS等测试方法,研究了硬炭电极在醚类(1M Na PF6/Diglyme)和酯类(Na PF6/EC:DMC和Na Cl O4/EC:DEC)电解液中的动力学行为差异和固体电解质界面(SEI)膜的特征。在醚类电解液中,硬炭电极表面形成更薄、均匀、致密的固体电解质界面(SEI),为钠离子的扩散提供较短的路径,尤其在低电势(<0.1 V)下,醚类电解液体系的储能行为更趋向于电容行为扩散;快速的钠离子扩散行为显著优化了在平台段的可逆电化学反应,增加了平台段容量。非原位阻抗证实了在首次充放电过程中醚类体系固体电解质界面产生的阻抗要远远小于酯类体系的。最终获得优异的电化学性能:可逆比容量在0.1 C电流密度下可以达到416 m Ah g-1(首次库伦效率90%),300次循环后比容量为355 m Ah g-1(容量保持率为98%,0.4 C)。为了扩展有机电解液的工作温度范围,我们合成了一种含氟醚基咪唑离子液体,将其与醚类和酯类溶剂混合,其中在离子液体与醚类溶剂混合体系表现出较好的离子电导率和热稳定性,在充放电过程也体现出较低的过电势和极化现象,表现出最优的电化学性能。酚醛树脂基硬炭负极在以醚类溶剂/离子液体(2:8)混合电解液的钠离子电池可在353 K下稳定工作,比容量可以达到380 m Ah g-1(0.1C),0.4 C电流密度下100次循环后为335 m Ah g-1(容量保持率98%)。
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