检索结果-南通市图书馆

作者：崔连猛武汉理工大学

学位级别：硕士

随着新能源汽车的推广和移动电子设备的发展,对于储能装置提出了越来越多的要求。由于锂金属资源的短缺和价格逐渐上涨,可充电锂离子电池的发展也遇到了瓶颈。得益于镁金属负极高体积能量密度和通常情况下无枝晶生长的特点,可充电镁离... 详细信息

随着新能源汽车的推广和移动电子设备的发展,对于储能装置提出了越来越多的要求。由于锂金属资源的短缺和价格逐渐上涨,可充电锂离子电池的发展也遇到了瓶颈。得益于镁金属负极高体积能量密度和通常情况下无枝晶生长的特点,可充电镁离子电池被认为是有发展前景的下一代能源存储系统。然而,由于镁离子带有两个正电荷,导致在镁离子和宿主材料之间存在很强的相互作用,进而导致了电池正极材料的镁离子扩散动力学较差、放电容量较少、循环性能有待改善,最终导致电池的整体性能难以满足市场化需求。所以,开发具有优异电化学性能和较快镁离子扩散动力学的正极材料对于镁离子电池的发展至关重要。有机电极材料具有结构灵活、原料丰富的特点,在碱金属离子电池中得到了广泛的研究,但是其作为镁离子电池电极材料的研究较少。本文以两种有机羰基类化合物材料作为研究对象,采用现代测试手段对材料的物相及形貌进行了表征,并将其作为镁离子电池正极材料进行了电化学性能测试分析,得到了以下研究结果:(1)证明了3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA)这种有机羰基类化合物可以作为非水系镁离子电池的正极材料。通过在电解液中引入可溶性盐抑制了其在电解液中的溶解,实现了较好的储镁性能。结合傅里叶变换红外光谱、紫外可见光谱以及扫描电子显微镜等测试,验证了可溶性盐对PTCDA的溶解抑制作用。此外,这种抑制作用也可以通过在全苯基络合物电解液中加入其他可溶性盐(KCl和Na Cl)来实现。(2)以PTCDA作为正极组装了非水系的镁离子电池。对组装的扣式电池在0.6–2.5 V ***/Mg的电压区间内进行了电化学性能测试。PTCDA电极材料在200 m A g的电流密度下实现了126 m Ah g的可逆容量,同时表现出了优异的倍率性能和良好的循环稳定性。结合循环伏安测试和恒电流间歇滴定技术,分析了镁离子在PTCDA材料内的扩散动力学。此外,电化学反应过程中PTCDA的储镁机制和结构演变过程也通过非原位的物相表征和官能团表征进行了分析。结合X射线能量色散谱仪、X射线光电子能谱和电感耦合等离子发射光谱分析了电化学反应过程中的嵌入离子类型。(3)合成了另一种有机羰基类化合物2,3-二氨基-1,4-萘醌(DANQ),并对其进行了物相表征。以DANQ作为正极组装了镁离子电池,在0.1–2.4 V ***/Mg的电压区间内对其进行了电化学性能测试。在30 m A g的电流密度下,经过30圈循环后,放电容量还有70 m Ah g。

关键词：镁离子电池正极有机材料 3,4,9,10-苝四甲酸二酐 2,3-二氨基-1,4-萘醌

层状钒氧化物在镁锂混合电池及镁离子电池中的研究

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层状钒氧化物在镁锂混合电池及镁离子电池中的研究

作者：李茂生武汉理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池由于自身较高的能量密度以及优异的长循环性能而得到了较为广泛的应用,但是其发展因为锂金属资源短缺和安全性问题受到了很大的阻碍。因此人们不断地找寻着锂离子电池的替代者,镁离子电池作为替代者之一最近受到了广泛的关注... 详细信息

锂离子电池由于自身较高的能量密度以及优异的长循环性能而得到了较为广泛的应用,但是其发展因为锂金属资源短缺和安全性问题受到了很大的阻碍。因此人们不断地找寻着锂离子电池的替代者,镁离子电池作为替代者之一最近受到了广泛的关注,与金属锂相比,镁具有更高的体积比能量密度、更好的安全性。但是由于镁离子的二价特性,在传输的过程中与主体材料会产生较大的库伦作用力,因此大大限制了镁离子的迁移速率,使得镁离子电池的发展受到了很大的限制。镁锂混合电池则是综合了锂离子和镁离子电池各自的优势,通过在镁离子电池电解液体系中引入锂离子从而代替镁离子作为扩散离子的一种混合离子电池。钒氧系化合物因为具有较高的比容量、合适的平均放电电压以及较大的扩散离子通道而被认为是具有很大前景的电极材料。本文合成了纳米棒状的钒酸锂(LiVO),并且为了改善电极材料的电化学性能,提高材料的导电性和电子传输效率,对LiVO纳米棒进行了氧化石墨烯的包覆,并且首次在APC-Li Cl混合离子电解液中以LiVO@GO作为正极活性物质,镁金属(Mg)作为负极材料,进行了电化学性能的测试,同时通过原位X射线衍射分析(XRD)等各种测试手段对其反应机理进行了研究。本文通过水热的方法合成了钒酸铵((NH)VO·1.5HO)纳米棒,对其进行了材料的表征以及测试了其作为正极活性材料的储镁性能,为镁离子电池正极材料提供了更多的选择,主要的研究结果如下:(1)采用水热和高温煅烧的方法合成了纳米棒状的钒酸锂(LiVO),采用XRD、SEM、TEM、Raman等测试手段对LiVO@GO和LiVO材料进行了结构和形貌的表征。(2)在镁锂混合电池中进行了电化学性能的测试,LiVO@GO在50 mA g的电流密度下展现了245.9 mAh g的比容量,并且保持1.75 V的放电中值电压,对应着430.3 Wh kg的比能量密度。在500 mA g的大电流密度下可逆比容量达到190.3 mAh g,循环500圈后依然具有132.8 mAh g的比容量。(3)通过原位XRD、非原位XPS、非原位TEM等技术手段对材料的反应机理进行了研究,证明在反应的过程中发生了复杂的相转变过程,并且材料的结构在反应前后具有很好的可逆性。同时利用GITT计算了Li在电化学反应过程中的扩散速率。(4)通过一步水热的方法合成了(NH)VO·1.5HO纳米棒,并通过XRD、SEM、FTIR等表征手段对其结构和形貌进行了表征,以(NH)VO·1.5HO为正极活性材料,组装了纽扣电池测试了其储镁性能。在50 mA g电流密度下达到了179 mAh g的比容量。在500 mA g的大电流密度下,初始比容量为106mAh g,循环600圈后依然保持74.9 mAh g的比容量。

关键词：钒酸锂镁锂混合电池正极材料钒酸铵镁离子电池

介孔二氧化钼/磷化钼异质结构的构筑及其储锂性能研究

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介孔二氧化钼/磷化钼异质结构的构筑及其储锂性能研究

作者：沈远浩武汉理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池(LIBs)作为一种具有潜力的能源存储装置,由于其具有较高的能量密度、超高的功率密度、极长的循环寿命以及环境友好等特点而受到了广泛地关注。虽然传统的商业化锂离子电池使用石墨作为负极材料,但因为石墨相对较低的容量阻碍... 详细信息

锂离子电池(LIBs)作为一种具有潜力的能源存储装置,由于其具有较高的能量密度、超高的功率密度、极长的循环寿命以及环境友好等特点而受到了广泛地关注。虽然传统的商业化锂离子电池使用石墨作为负极材料,但因为石墨相对较低的容量阻碍了其进一步发展。而过渡金属氧化物由于其较高的容量引起了人们的普遍关注。但过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料在循环过程中较大的体积膨胀以及低电子电导率是制约其发展的重要因素。因此,构建介孔电极材料能够增加电极材料与电解液的接触面积,并可以改善循环过程中由于体积膨胀所导致的结构坍塌问题。此外,对过渡金属氧化物进行电子结构调控能够有效增强过渡金属氧化物的电子电导率。本文将介孔二氧化钼/磷化钼纳米带异质结构(meso-Mo O/Mo P-NBs)材料当作研究对象,并将其作为锂离子电池的负极材料,明确了异质结构相较于单一材料的优势,同时也对异质结构与单一材料的储能机理进行了探究与分析。主要研究结果如下:(1)采用高温煅烧法得到meso-Mo O/Mo P-NBs,并通过控制煅烧过程中磷源的量得到了两种参照样。将三种材料组装成锂离子半电池,对其进行电化学性能测试。Meso-Mo O/Mo P-NBs材料展现出最优的循环性能(电流密度为1 A g时,经过1000次循环后具有515 m Ah g的容量)和倍率性能(当电流密度增加到8 A g时,仍然具有291 m Ah g的容量)。(2)通过一系列电化学分析计算以及密度泛函理论计算研究三种材料的离子和电子的传输特性。对于三种材料来说,meso-Mo O/Mo P-NBs具有最大的锂离子扩散系数、最小的电荷转移阻抗和最为优异的电子电导率,能够实现快速的锂离子传输。(3)通过原位X射线衍射(XRD)及非原位透射(TEM)测试,揭示了meso-Mo O/Mo P-NBs的储锂机制为Mo O的部分转化以及Mo P的有限固溶反应。并且基于原位XRD进行计算,锂离子在meso-Mo O/Mo P-NBs中的嵌入/脱出过程中体积变化较小,因此该材料具有良好的结构稳定性。

关键词：锂离子电池 MoO2/MoP 介孔材料异质结构长循环稳定性

氟磷酸氧钒钠的储镁性能、机制研究及镁离子全电池的构造

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氟磷酸氧钒钠的储镁性能、机制研究及镁离子全电池的构造

作者：王军军武汉理工大学

学位级别：硕士

目前,商业化的锂离子电池经过接近30年对材料的研发和电池的设计,基于嵌入式负极的锂离子电池的能量密度已基本没有可以提升的空间。从理论上讲可充电锂金属电池可以提供更高的能量密度。然而,由于锂枝晶的问题难以解决,从而导致电池的... 详细信息

目前,商业化的锂离子电池经过接近30年对材料的研发和电池的设计,基于嵌入式负极的锂离子电池的能量密度已基本没有可以提升的空间。从理论上讲可充电锂金属电池可以提供更高的能量密度。然而,由于锂枝晶的问题难以解决,从而导致电池的失效甚至引起火灾,使直接利用锂金属做负极面临巨大的挑战。因此,研发具有高安全性、高能量密度和低成本的新型可充电电池是目前储能领域一个亟待解决的难题。由于多价离子中每个离子可以携带多个电子,能够实现更高的能量密度,因此多价离子电池受到广大研究者的关注。在这些多价离子电池中,由于镁元素储量丰富(占地壳总质量的2%),不易形成枝晶,适中的氧化还原电势和高的体积比容量(3833 m Ah/cm),镁离子电池被认为是能够超越锂离子电池的最具潜力的候选者之一。然而,正极材料低的工作电压和缓慢的镁离子扩散动力学阻碍了镁离子电池的发展。因此,发展高性能的正极材料对镁离子电池的发展十分重要但也充满挑战。在本论文中,我们主要研究了高电压正极材料Na VO(PO)F/还原氧化石墨烯(rGO)微球的储镁性能和机制,并设计了预镁化的NaTi(PO)/C高性能负极材料,组装Na VO(PO)F//MgNaTi(PO)镁离子全电池,测试镁离子全电池的电化学性能及实用性。主要研究成果如下:(1)通过喷雾干燥和烧结的方法获得NaVO(PO)F/rGO微球,然后利用电化学脱钠法获得具有未被占据位点的Na VO(PO)F/rGO。Na VO(PO)F/rGO作为镁离子电池正极材料表现出95.6 m Ah/g的初始放电容量和3.3 V的最高平均工作电势,倍率性能达到30.3 m Ah/g在5000 m A/g,循环稳定性在500 m A/g电流密度下达到9500圈的超长循环。恒电流间歇滴定技术(GITT)测试表明Na VO(PO)F/rGO的平均镁离子扩散系数为2.99×10 cm/s和密度泛函理论(DFT)计算表明镁离子在Na VO(PO)F/rGO中倾向于沿a方向扩散。原位X射线衍射(XRD)、非原位X射线光电子能谱(XPS)、X射线吸收近边结构(XANES)等测试结果表明Na VO(PO)F/rGO的储镁机制为单相的嵌入/脱出反应。(2)通过水热和后期烧结的方法合成微米花状的NaTi(PO)/C,在100m A/g的电流密度下,NaTi(PO)/C的放电比容量为104 m Ah/g,在100圈循环后容量保持率为91%。在500 m A/g的电流密度下,可以达到500圈的长期循环稳定性,容量保持率为71.9%。GITT测试表明镁离子在NaTi(PO)/C中的平均扩散系数为1.40×10 cm/s。原位XRD测试表明NaTi(PO)/C的储镁机制为两相反应。(3)利用Na VO(PO)F/rGO正极和预镁化的NaTi(PO)/C负极组装Na VO(PO)F//MgNaTi(PO)镁离子全电池。在50 m A/g电流密度下,镁离子全电池表现出了76 Wh/kg能量密度。在有机电解液体系中,组装的镁离子全电池表现出1300 W/Kg的最高功率密度和最长的循环寿命(达到200圈),容量保持率为84.7%。此外,12个串联的红色LED灯可以被两个串联的纽扣镁离子全电池成功点亮。

关键词：氟磷酸氧钒钠磷酸钛钠镁离子电池全电池高电压

普鲁士蓝正极材料Na2MnFe(CN)6@PPy的制备及其水系混合离子电池研究

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普鲁士蓝正极材料Na2MnFe(CN)6@PPy的制备及其水系混合离子电池研...

作者：阮雨杉武汉理工大学

学位级别：硕士

随着传统化石燃料的过度消耗和人类对能源需求的日益增加,如何高效利用传统能源以及开发新型能源是目前研究的重点。太阳能、风能等新能源具有间歇式特点,需要结合储能电池系统才能确保连续性供能。在下一代储能电池中,可充电锌离子电... 详细信息

随着传统化石燃料的过度消耗和人类对能源需求的日益增加,如何高效利用传统能源以及开发新型能源是目前研究的重点。太阳能、风能等新能源具有间歇式特点,需要结合储能电池系统才能确保连续性供能。在下一代储能电池中,可充电锌离子电池具有高安全性、成本低、环保性好等优良特性,近年来受到了越来越多了的学者关注,并在未来有望应用于大规模储能领域。但目前可充电锌离子电池还有一些科学问题亟待解决,如正极材料难以满足商业化应用需求等。普鲁士蓝是一个比较有潜力的水系锌离子电池正极材料,但是其比容量和循环稳定性有待进一步提高,从电解液和材料结构改性方面优化普鲁士蓝正极材料是提高其电化学性能的一个有效改善方案。在本工作中以NaMnFe(CN)@PPy作为正极材料进行了电化学性能研究,首先,采用共沉淀法和表面包覆聚吡咯PPy改性的方式制备得到NaMnFe(CN)@PPy纳米块复合材料,相对改性前,复合材料的比容量和循环稳定性都得到了提高。此外,还通过相似方法合成了KMnFe(CN)@PPy纳米块,对比两种复合电极材料的性能,探究了材料的结构与性能之间存在的规律,相关研究结果有助于推动具有高容量的水系混合离子电池正极材料的开发。主要研究内容与结果如下:(1)通过简单的共沉淀反应合成出NaMnFe(CN)和KMnFe(CN)纳米块材料,并在冰浴条件下进行材料表面PPy包覆,得到了NaMnFe(CN)@PPy和KMnFe(CN)@PPy纳米块材料,并通过XRD等物相表征手段进行了系统的结构表征分析,证明PPy成功包覆在材料表面。(2)调控混合离子电解液,分析PPy改性前后电极材料电化学性能测试结果。实验表明,包覆后NaMnFe(CN)@PPy纳米块电极材料的循环性能与倍率性能均有明显提升,在150圈循环后电池的容量保持在50.1 m Ah g,而未包覆的电极材料在前30圈内出现明显的容量下降,在150圈循环后容量仅为25.1m Ah g。且包覆后的电极材料阻抗减小,表明包覆PPy能够有效改善电极材料的电化学动力学。此外,不同混合离子电解液性能测试的结果表明在钠盐调控优化的Na-Zn混合电解液中,电极材料展现出了更好的电化学性能,表明在Na-Zn混合离子电解液中材料的离子扩散动力学和电化学性能有所改善。而KMnFe(CN)@PPy纳米块电极材料在Li-Zn混合电解液中展现出了最优的性能,得益于Li较低的离子半径,其在材料的框架中能够进行较为顺畅的脱嵌反应,而KMnFe(CN)@PPy纳米块材料中K在材料的框架中支撑效果并不及Na,导致电极材料在三种不同混合离子电解液中的电化学性能整体都比NaMnFe(CN)@PPy低。(3)通过采用非原位XRD和非原位XPS测试,对包覆后的NaMnFe(CN)@PPy纳米块材料进行了深入的机理分析,探究了在Na-Zn混合离子电解液中材料充放电过程所发生的脱嵌反应机制。同时本工作还对包覆后的电化学动力学进行了表征分析,通过多扫速CV测试和分容计算出了赝电容的比例。

关键词：普鲁士蓝正极材料水系锌离子电池混合离子电解液

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二氧化钛超细纳米晶储镁性能研究及优化

二氧化钛超细纳米晶储镁性能研究及优化

作者：蔡鑫胤武汉理工大学

学位级别：硕士

金属镁电池作为一种颇具潜力的储能体系,因其镁金属负极的优点而备受关注。除了在地球上具有丰富的镁资源,镁金属负极还能提供3833 m Ah cm的高比容量,高出锂(2622 m Ah cm)的近一半。在安全性方面,相比于锂电池,金属镁电池也更具优势... 详细信息

金属镁电池作为一种颇具潜力的储能体系,因其镁金属负极的优点而备受关注。除了在地球上具有丰富的镁资源,镁金属负极还能提供3833 m Ah cm的高比容量,高出锂(2622 m Ah cm)的近一半。在安全性方面,相比于锂电池,金属镁电池也更具优势。因此,金属镁电池是锂离子电池最有前途的替代品之一。然而,金属镁电池的发展依然存在一些问题。二价镁离子由于其带有两个单位的正电荷,因此镁离子与宿主晶格之间具有强相互作用,导致镁离子插入正极宿主材料时动力学缓慢,镁离子易陷在其中无法脱出,造成电池不可逆的循环。因此,寻找合适的、快速的镁脱嵌动力学的正极材料是金属镁电池发展的关键。(1)本文着重研究锐钛矿型的二氧化钛在金属镁电池中的储镁机理,利用原位X射线衍射分析、非原位的暗场像表征和X射线光电子能谱等手段分析了锐钛矿型二氧化钛在储镁过程中的相变、化学组分等内容。(2)另一方面,本文探究了二氧化钛材料储镁性能的优化策略,利用钛金属有机框架的衍生法构建了具有碳骨架的二氧化钛超细纳米晶,表现出了超长的循环寿命。(3)此外,本文也利用循环伏安测试对材料储镁过程的赝电容行为进行了分析,对材料的储镁过程进行了模型描述。通过考察材料的动力学特性,本文从离子迁移活化能、离子扩散系数等方面对材料储镁性能的优化策略进行了解释,从多个角度阐述了利用纳米材料中碳骨架的构建策略是一种行之有效的性能优化方案。

关键词：金属镁电池二氧化钛赝电容动力学

双金属锡基氧化物材料的构筑及其储锂储钠性能

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双金属锡基氧化物材料的构筑及其储锂储钠性能

作者：张奕武汉理工大学

学位级别：硕士

能源问题一直是世界关注的重点问题,在新能源设备中,锂离子电池因具备高能量密度、长循环寿命等优点而受到广泛的研究以及应用。随着社会、技术的飞速发展,人类对锂离子电池提出了越来越高的要求,而电极材料的发展则是开发高性能锂离子... 详细信息

能源问题一直是世界关注的重点问题,在新能源设备中,锂离子电池因具备高能量密度、长循环寿命等优点而受到广泛的研究以及应用。随着社会、技术的飞速发展,人类对锂离子电池提出了越来越高的要求,而电极材料的发展则是开发高性能锂离子电池的关键因素之一。而与此同时,锂离子电池面临着地球上有限的锂资源难以支撑其长久发展的巨大挑战。因此,为了降低锂离子电池的生产成本,减缓锂资源的快速消耗,新能源电池的研发刻不容缓。钠离子电池因其丰富的原料储备以及钠、锂之间相似的理化性质而被视为锂离子电池的重要替代者。寻找高性能的电极材料同样也是钠离子电池发展的重要突破口,但钠离子相对较大的离子半径限制了钠离子电池电极材料的选择范围。在负极材料中,锡基材料因具有理论容量高、成本低、易合成等优点而被运用到锂离子电池、钠离子电池之中。然而在充放电循环期间,锡基材料的体积变化极大,而这会导致材料结构坍塌,循环稳定性极差。目前使用较多的改性方法是将锡基材料进行碳材料包覆以及纳米化设计,但此类方法往往存在合成过程复杂、耗时长、成本高等问题而无法大规模应用。而改变物质的固有性质是提升其应用价值最根本的方法。研究表明,双金属氧化物中双金属组分间的协同作用能够缓解活性物质在电化学循环过程中的体积变化,使其相较于单一金属氧化物具有更好的结构稳定性,这也使得双金属锡基氧化物材料在电化学领域逐渐受到关注。本文设计构筑了石墨烯(graphene,GN)与碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)包覆的锡酸铜纳米球(CuSnO/GN/CNTs)以及纳米花状的锡酸锌(ZnSnO),并运用多种表征手段对材料的物相和结构进行了全面的分析,同时通过组装锂离子、钠离子电池对材料的电化学性能进行了测试与分析,其主要内容及结果如下:(1)通过简单的溶剂反应合成了前驱体CuSn(OH),并通过简单的超声和物理搅拌将CuSn(OH)与石墨烯、碳纳米管混合,该混合物经过冷冻干燥处理后在惰性气体中高温煅烧得到了碳材料均匀包覆的无定形CuSnO纳米球。(2)将CuSnO/GN/CNTs组装成锂离子、钠离子半电池,对其电化学性能进行了测试。当作为锂离子电池负极材料时,在200 mA g的电流密度下,CuSnO/GN/CNTs的第二圈放电比容量高达1087.4 mA h g,循环50圈后容量保持在869.9 mAh g;而作为钠离子电池负极材料时,于100 mA g下循环55圈后,其容量保持在310.8 mAh g,容量保持率达到90.1%。另外,本实验通过阻抗谱、非原位X-射线光电子能谱等手段对CuSnO的储能机理进行了简要分析。结果表明,碳材料的加入有效缓解了活性材料在电化学循环过程中的体积膨胀,保护了材料的结构,此外在首圈放电过程中产生的铜单质能有效增加材料在后续循环过程中的导电性。(3)通过一步水热法合成了由纳米棒构成的ZnSnO纳米花,并将其组装成锂离子、钠离子电池,与ZnSnO纳米块以及购买的纳米级SnO进行了电化学性能的对比。在作为锂离子电池负极材料时,在200 mA g的电流密度下,ZnSnO纳米花第二圈放电比容量达到989.8 mAh g,且循环50圈后,其容量保持在730.5 mAh g;而运用在钠离子电池中时,ZnSnO纳米花于100 mA g下的可逆容量为260.1 mAh g,循环80圈后,其容量保持在207.3 mAh g。结果表明,ZnSnO纳米花具有明显优于对照样品的循环性能以及倍率性能,体现了该材料双金属组分及其特殊的纳米花结构在电化学储能方面的优势。

关键词：锂离子电池钠离子电池负极材料双金属锡基氧化物