钠离子电池碳负极的预钠化和电化学性能研究

作     者：秦楠楠 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方国赵

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：钠离子电池 预钠化 硬碳负极 复合碳纤维负极 

摘      要：目前,钠离子电池作为一种经济、环保、高效的储能技术,正在高速发展,有望在低速电动车、大规模储能等领域完成对锂电池的下位替代。在众多钠离子电池的负极材料中,碳材料凭借着环保、低成本、电化学性能优良的优势,占据着主导地位。相较于锂离子电池中的石墨负极,钠离子电池用碳材料的结构通常更加无序,具有一定浓度的缺陷和微孔,在提供了吸附储钠的容量的同时,也导致了较差的首圈库伦效率(ICE),造成全电池能量密度的下降,循环稳定性降低。为了解决这一问题,本文从化学预钠化的方向出发,做了如下工作:(1)利用钠金属、联苯(Bp)和乙二醇二甲醚(DME)配置了Na-Bp DME钠化试剂,并对其理化性质进行了测试和分析,通过DFT计算了其形成过程以及分子构型。成功制备了一种含有Na-Bp钠化试剂的DME基醚类电解液,该电解液能够实现硬碳电极的原位预钠化,有效提高硬碳电极的ICE,并且保持着原来的容量和循环稳定性。本文探究了原位预钠化过程中硬碳电极理化性质和结构形貌的变化,通过理论计算对预钠化过程的反应机理进行了深入探索。这种电解液能在静置过程发生有益的自发分解,在硬碳颗粒上形成预SEI层,减少首次充放电过程中的不可逆反应,同时将Na-Bp中的Na嵌入石墨微晶的层间或微孔等储钠位点,补偿首次循环中的不可逆钠损失。这种机制显著提高了Na||HC半电池的ICE,从71.4%增加到约100%,NVP||HC全电池的ICE也从45.0%增加到96.6%,在0.1 C电流密度下表现出317/306 m Ah·g的首圈充放电比容量,能量密度从132.9 Wh·kg增加到230.5 Wh·kg。与传统化学预钠化方法相比,本文的方法简化了流程、降低了成本,具有一定现实意义。(2)利用静电纺丝技术,将聚丙烯腈(PAN)、克聚苯乙烯(PS)球和乙酸铜(Cu Ac)制备成纤维结构前驱体,然后通过预氧化、碳化得到Cu@C复合碳纤维材料,用作自支撑钠离子电池负极。本文研究了钠在Cu@C电极上的沉积生长过程,其表现出了良好的镀钠性能,在Cu@C上沉积了一层均匀的钠金属。在Na||Cu@C半电池中,Cu@C电极表现出了较低的形核过电位,约为10 m V,并表现出了优秀的平均库伦效率(～99.5%)和循环寿命(～250 h)。使用Na-Bp DME溶液对Cu@C材料进行预钠化之后,Cu@C电极表现出优化的电化学性能。经过少量预沉积之后,在全电池NVP||Cu@C中,实现了高比容量(～110 m Ah·g)和高放电电压,并且展现出良好的循环稳定性。本文还探索了在不进行预沉积或循环的情况下,预钠化前后Cu@C电化学性能的变化,预钠化之后,1 C的电流密度下,NVP||Cu@C全电池的ICE从60.6%提高到了89.1%,首圈充放电比容量从99.59/60.31 m Ah·g提高到了100.88/89.06 m Ah·g,并且降低的电池的极化、提高了容量保持率,对于提高电池的整体能量密度有着重要的意义。图45幅,表5个,参考文献162篇