双金属复合材料的制备及其储钠性能研究

作     者：盛天都 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张丽娟

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：钴基金属氧化物 介孔二氧化硅 Co类普鲁士蓝 离子交换 化学刻蚀 

摘      要：钠离子工作电池与锂离子工作电池具有十分相似的储能理论,因为钠资源储量非常丰富并且价格也十分便宜,钠离子电池被认为是一种应用发展前景辽阔的能源储存技术,最根本的挑战是找到适合用于高效存储的钠离子电极材料。虽然钠与锂具有相似的理化性质,但是由于钠离子有效半径大于锂离子有效半径,大部分适合于锂离子工作电池的材料不能直接推广应用在钠离子电池。迄今为止,在现有负极材料中,既能用于锂离子电池,又能直接被用于钠离子电池的高容量负极材料包括简单金属、合金和过渡金属硒元素化合物。钴基金属氧化物和过渡金属硒元素化合物因其结构坚固、成本低、制备简单和理论能量高等特点引起了极大的关注。然而,钴基金属氧化物和过渡金属硒化物在充放电过程中体积变化明显,反应动力学缓慢,导致容量迅速下降。为了进一步改善其电化学性能,制备纳米级颗粒和金属掺杂是一种有效的手段。为此,本文通过模板法、自组装、水热、刻蚀等方法制备具有可以控制形貌的中空结构的纳米材料,要点概括具体如下:(1)以介孔二氧化硅纳米球作为反应模板,成功制备了分层N掺杂的还原氧化石墨烯空心杂化纳米球(Cu CoO/N-r GO),该纳米球已首次被用作钠离子电池的负极材料。该Cu CoO/N-r GO杂化纳米球具有多孔表面,其独特的中空结构不仅可以显著降低钠离子扩散过程中的能量消耗,而且可以提高电导率。在2 A g高电流密度下,经过50个循环后的比容量为345 m A h g。Cu CoO/N-r GO材料具有较高的钠存储容量和出色的循环稳定性。(2)开发了利用静置老化、化学蚀刻和离子交换等策略合成Cu-Co Se纳米立方体的方法。首先,Co类普鲁士蓝类似物通过静置老化得到Co-Co PBA纳米立方体,利用氨水刻蚀获得Co-Co NFS纳米立方体,之后与Se离子进行阴离子交换反应,转变成分层的Co Se纳米立方体;最后利用Cu离子的阳离子交换反应,在Co Se纳米立方体中掺入Cu离子,得到Cu-Co Se纳米立方体。电化学性能测试结果显示,在0.1 A g的电流密度下,经过循环100圈后的比容量为450 m A h g,其有效容量保持率为90.0%。上述研究表明,Cu-Co Se纳米立方体空心框架结构和金属离子的掺杂可以改善Co Se基电极的电化学性能,因而具有优异的钠存储性能。本论文中,笔者通过调控具有不同形貌结构的纳米负极材料,探究物质材料的形貌组成结构对电化学性能的影响,对于高性能钠离子工作电池负极材料的快速发展起到了一定的促进作用,为今后商业应用奠定良好的基础。