碳纳米管限域多酸负极材料的储钠性能研究

作     者：沙泉 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈伟

授予年度：2022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）] 

主      题：多酸 碳纳米管 钠离子电池 限域效应 负极材料 

摘      要：我国作为能源消费大国,不平衡的能源供需局面愈演愈烈。在习近平总书记提出的“双碳目标的牵引下,开发新型清洁能源转换和储存技术是目前的重要任务。相比于传统的锂离子电池,钠资源储量更为丰富,且其作用机制与锂离子相似,因此,钠离子电池吸引了人们的关注。然而现阶段仍然缺少合适的负极材料来进一步提升电池性能,研发新型高效的钠离子电池负极材料已成为新能源发展的迫切需求。本论文基于多酸分子结构稳定、组成可调、氧化还原性质丰富等特点,围绕多酸基钠离子电池负极材料的结构设计,构筑了一系列碳纳米管限域的多酸负极材料,突破了多酸团簇在应用过程中易出现的聚集和流失等局限性,获得了良好的电化学储钠性能,阐明了限域多酸的结构、组成与储钠性能间的科学关联,揭示了碳管限域封装策略对多酸储钠行为的影响机制,为开发新型钠离子电池负极材料拓宽了思路。论文的主要研究内容如下:(1)构筑了一系列碳管限域Keggin型多酸复合材料,利用主客体间的电子转移驱动多酸在碳纳米管中的限域组装,获得了单分散的多酸分子簇,解决了多酸易溶解、易团聚等问题,从而实现了良好的电化学储钠性能,在750 mA g的电流密度下,比容量达210 mAh g,并表现出优异的循环稳定性和倍率性能。通过实验与理论计算相结合,证实了多酸不仅与碳纳米管间存在电子转移,其分子内部的电子也呈现出由中心向外转移的现象,因而使多酸团簇电子结构发生明显变化。外层桥氧原子电子云密度的增加,优化了Na与多酸间的相互作用,对电化学储钠性能影响显著。(2)构筑了一系列碳管限域钒多酸复合材料,发展了钒多酸在钠离子电池负极领域的应用,揭示了不同尺寸的多酸在碳管限域环境下对钠离子吸附能的变化。在前一章工作的基础上,以具有不同结构和尺寸的钒多酸为设计目标,利用静电相互作用将其封装于SWNT管内,创制了一系列POV@SWNT复合材料。结合理论计算,创新性地发现了碳管对多酸的限域效应在调节多酸的电子结构的同时,能够缓解多酸对Na过高的吸附能。随着钒多酸尺寸的增大,多酸分子与碳管内壁的接触面积增多,受碳管的限域影响也越大,电子结构调节程度也逐渐加强。因此,极大提升了POV@SWNT电极材料在充放电过程中的首次库伦效率。