碳基双金属硒化物的制备及其钠/钾离子电池性能研究

作     者：陈思凡 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫军锋

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：普鲁士蓝类似物衍生物 碳基材料 负极材料 钠离子电池 钾离子电池 

摘      要：钠/钾离子电池因低成本、高能量密度且钠/钾资源丰富等优点,有望取代锂离子电池成为新时代大规模储能的新技术。然而在实际应用中仍受到容量衰减快、电荷存储动力学慢、可逆性差等问题的限制。因此,寻求发挥钠/钾离子电池优良特性的阳极材料成为亟待解决的问题。在众多新型阳极材料中,普鲁士蓝类似物(PBAs)及其衍生物由于具有三维微/纳结构、尺寸可控、化学组成可调等优点而极具潜力。本文以PBAs为前驱体,对其进行成分调控和微观结构设计。通过溶液沉淀法、气相硒化反应等合成工艺,成功构筑并制备了3种过渡金属硒化物与碳材料的复合物,系统研究了其储钠/储钾性能和增强电化学性能的作用机理。主要研究内容如下:(1)以Ni-Fe PBA为前驱体,Si O纳米球和Na Cl为模板,葡萄糖为碳源,采用盐模板法结合一步原位碳化、硒化法,成功制备了碳包覆Ni-Fe-Se纳米立方体镶嵌于多孔氮掺杂石墨烯片复合材料(Ni-Fe-Se@p NGS)。其中,核壳结构的Ni-Fe-Se纳米立方体均匀地镶嵌和分布在具有球形空腔的二维氮掺杂石墨烯片上。得益于其独特而新颖的结构优势,Ni-Fe-Se@p NGS阳极获得了增强的储钠/储钾性能。在钠离子电池中,Ni-Fe-Se@p NGS电极表现出较高的储钠容量(419.8 m Ah g,0.1 A g)、优异的倍率性能和良好的循环稳定性,远远高于Ni-Fe-Se@NGS和Ni-Fe-Se电极。即使在1.0 A g的大电流密度下,1000次循环后仍能提供263.2 m Ah g的比容量。此外,它作为钾电阳极时也表现出突出的循环寿命和倍率性能,在0.1 A g的电流密度下循环100次后仍保持188.5 m A h g的比容量。(2)以Mn-Fe PBA为前驱体,通过室温液相反应在Mn-Fe PBA颗粒表面包覆了一层聚多巴胺(PDA),经气相硒化工艺成功制备了具有双重碳层保护的Mn Se/Fe Se复合材料(DCC-Mn Se/Fe Se)。研究结果表明,DCC-Mn Se/Fe Se复合材料提升了整个材料的导电性,同时有效地缓释了电极材料在充放电过程中体积效应所导致的结构变化,与无双重碳层保护的其他两组对照组相比,其储钠/储钾性能得到显著提升。作为钠电阳极时,DCC-Mn Se/Fe Se电极在0.1 A g的电流密度下循环100次后的比容量为407.6m Ah g。即使在1.0 A g的大电流密度下,1000次循环后仍能提供208.0 m Ah g的比容量。此外,其作为钾电阳极时也表现出优异的储钾性能,在0.1 A g的电流密度下循环100次后仍保持150.7 m A h g的比容量。(3)以Ni-Co PBA为前驱体,一维碳纳米管作为导电桥梁,通过随后的热处理硒化工艺,成功制备了以碳纳米管为骨架串联Ni-Co-Se纳米立方体的串珠式复合材料(Ni-Co-Se-CNT)。所制备的具有高导电网络结构的Ni-Co-Se-CNT复合材料是由相互交错的碳纳米管粘附或嵌入Ni-Co-Se纳米立方体构成,每个Ni-Co-Se纳米立方体表面均匀地包覆着氮掺杂非晶碳层。得益于这种独特的三维互联结构,Ni-Co-Se-CNT阳极表现出显著增强的储钠/储钾性能。作为钠电阳极时,Ni-Co-Se-CNT电极在0.1 A g的电流密度下循环300次后的比容量为305.4 m Ah g。即使在1.0 A g的大电流密度下,500次循环后仍能提供193.6 m Ah g的比容量。此外,其作为钾电阳极时也表现出出色的循环寿命和倍率性能,在0.1 A g的电流密度下循环100次后仍保持134.1 m A h g的比容量。