镍基硒化物的构建及电化学储镁性能研究

作     者：石美瑜 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：隋艳伟

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：镁离子电池 正极材料 镍基硒化物 密度泛函理论 

摘      要：锂离子电池(LIBs)在全世界应用广泛,但是考虑到目前商用LIBs在经济和安全等方面存在的问题,研发新型电池系统具有十分重要的意义。镁离子电池(MIBs)作为新型多价离子电池由于其高理论比容量、低还原电位、镁储量丰富等优势在二次电池储能系统中受到广泛关注。但由于镁离子与正极材料中阴离子之间的强相互作用力导致它的扩散动力学非常缓慢。所以,寻找能够同时兼顾高能量密度和长循环寿命的正极材料具有一定的困难。本论文围绕镍基硒化物的制备、电化学储镁性能展开研究,深入探究其储镁机制。主要研究内容如下:(1)基于密度泛函理论(DFT)计算了d-p轨道杂化对镁吸附行为产生的影响可知,镁原子嵌入NiSe材料后,不仅能够加剧结构内部的电子相互作用,还能提升电荷转移动力学。d-p轨道杂化可以促进局域电荷的重排和电子极化,有利于镁原子的吸附和储存。通过溶液法制备了NiSe亚微米颗粒,将其作为正极材料进行电化学储镁测试,研究该材料的电化学性能。在电流密度为500 mA g的条件下,稳定后NiSe的放电比容量大约是54.9 mAh g,循环到680圈后能够保持在63.5 mAh g,表现出良好的电化学性能和循环稳定性。(2)本章通过控制进料比调节镍和硒的反应速率,采用溶液法制备出不同化学计量比的镍基硒化物。探究改变溶剂体积、加热时间、镍源等参数对合成材料产生的影响。将NiSe、NiSe和NiSe等合成样品作为MIBs的正极材料,研究其电化学储镁性能的差异。结果表明,制备获得的NiSe和NiSe作为镁电池正极时具有良好的电化学性能,其中NiSe表现出较好的倍率性能和循环稳定性。在300 mA g的电流密度下,NiSe和NiSe经过190圈的循环之后,两者仍然能够分别保持104.7、110.1 mAh g的比容量,具有较好的电化学储镁性能。(3)本章通过水热法和热解法合成制备了氮原子掺杂的N-NiSe微米八面体。与没有氮原子掺杂的NiSe相比,根据电化学测试结果可知,氮原子的掺杂提高了NiSe电极材料的倍率性能和循环寿命。在300 mA g时,N-NiSe微米八面体的可逆比容量在400圈循环后约为98.4 mAh g,而NiSe的比容量在400圈循环后仅为46.4 mAh g。DFT计算结果表明,N原子的掺杂不但可以提高镁离子的扩散动力学,还引入更多的活性位点,提高了NiSe的电子性质。该论文有图35幅,表2个,参考文献256篇。