铜基磷化物异质结构的构筑及其储钠性能研究

作     者：周玉章 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董才富

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Cu3P/Co2P/CoP@NC Cu3P/FeP@NC 负极材料 异质结构 钠离子电池 

摘      要：锂离子电池（LIBs）受益于优良的电化学特性及工艺成熟等优势,在电子产品中已经被广泛使用。然而,锂在地壳中储量较少（约为0.0065%）且主要分布在南美洲,极大限制了LIBs在国内的可持续应用。与锂相比,钠在地壳和国内储量丰富,符合国家可持续发展的需求。但是,钠离子半径为1.02（?）,远超过半径为0.76（?）的锂离子,传统的储锂负极材料在嵌钠/脱钠过程的体积膨胀更加明显和离子传输更加缓慢,因此,急需探究合适的钠离子电池（SIBs）负极材料。 金属磷化物（CuP、CoP、FeP）作为SIBs负极材料具有理论比容量高,储能电位低等优点,是适宜的钠电负极材料之一。然而,单一金属磷化物作为SIBs负极材料,存在以下不足:（1）在反复放电/充电过程中会引发结构粉化,导致引起容量衰减;（2）离子传输缓慢,导致倍率性能不佳。针对以上问题,本文开展了以下研究: ***/CoP/CoP@NC三相异质结构的构筑及其储钠性能研究 通过简单的工艺和低温磷化策略相结合的方法合成了氮掺杂碳（NC）包覆的CuP/CoP/CoP（CuP/CoP/CoP@NC）纳米棒。动力学分析（CV、EIS、GITT）和理论计算（DFT）计算表明,三相异质结构和碳层有效地改善了离子迁移率和结构稳定性。因此,与CuP/CoP/CoP、CoP/CoP、CuP和CoP相比,CuP/CoP/CoP@NC作为钠电负极时,表现出更加优异的倍率性能(在电流密度为0.3 A g时为308.1 m Ah g,在电流密度为10 A g时为202.8 m Ah g)和循环稳定性（从第5个循环到第300个循环,比容量衰减率仅为0.12%）。非原位XRD,HRTEM和XPS测试结果表明,CuP/CoP/CoP@NC是基于转换机制进行钠离子存储。在此基础上,组装了具有优异循环稳定性能(在0.3 A g时,循环50次后比容量仍可维持在210 m Ah g)的全电池NaV（PO）@r GO//CuP/CoP/CoP@NC。可为后续过渡金属磷化物作高性能钠电负极材料的设计提供思路。 ***/FeP@NC异质结构的构筑及其储钠性能研究 利用离子置换反应将Fe离子引入到氧化亚铜表面,并通过后续的磷化处理策略制备了CuP/FeP@NC纳米球。FeP纳米片可以缩短离子/电子传输距离,并且提供更多的活性位点。此外,有机分子热解产生的NC,不仅可以有效提高导电性,还可以进一步缓解体积变化。基于这些优势,CuP/FeP@NC表现出了优异倍率性能(在电流密度为0.3 A g为230.5 m Ah g,在电流密度为10 A g时为100.1 m Ah g)和循环性能(在0.3 A g的电流密度下,在100次循环后可保持150.8 m Ah g)的可逆比容量。此外,CV、GITT和EIS测试表明,较高的赝电容贡献、快速的离子扩散系数和较小的电荷转移阻抗是CuP/FeP@NC具有优异性能的重要原因。该研究合成方法简单,环境友好,成本低廉,可为后续过渡金属磷化物储钠性能研究提供参考。