碳材料对金属钠负极和VO2正极性能改善的机制研究

作     者：王晓琳 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋曰海

授予年度：2024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：钠负极保护 枝晶 正极材料 反应机理 碳材料 

摘      要：得益于丰富的钠储量和较高的理论容量,可充电钠金属电池在下一代储能系统中表现出巨大的潜力。然而,钠阳极存在着金属钠活性高、枝晶生长不可控和固态电解质界面不稳定等问题,限制了钠金属电池的广泛应用发展。因此如何降低局部电流密度、调控体积变化来抑制枝晶的生长成为研究的重点和难点。 另外,相比于钠基电池和其他活泼金属电池存在的安全性问题,水系锌离子电池由于锌金属本身安全性较高,并且使用成本低、对环境友好的水系电解液从而成为研究的热点。其工作电压和比容量主要由正极材料决定。然而,正极材料仍然存在合成工艺复杂、容量不理想、稳定性差等问题,制约了其商业化应用。 针对存在的问题,本论文开展了以下工作: （1）以浒苔为原料,通过缺陷工程制备亲钠自支撑浒苔碳矩阵载体（E-C）。浒苔碳纤维具有丰富的亲钠氧基团和多孔隙分布,可以降低钠的成核能;利用碳矩阵三维网络的限域生长作用,抑制在循环过程中钠体积的变化,降低局部电流密度,使钠枝晶生长受限,从而实现钠负极高效率、高倍率、长寿命的循环。在电池测试中,Na-E-C对称电池的循环时间可达1400 h(1 m A cm),并且在循环过程中极化电压稳定。在库伦效率测试中,当电流密度为1 m A cm时,E-C拥有超过800次的稳定循环,库伦效率为99.7%,表现出均匀的钠沉积/剥离行为。因此,浒苔的“变废为宝,为开发高性能无枝晶钠金属电池提供了新的策略。 （2）二氧化钒（VO）具有较高的理论容量和独特隧道结构等优点,是水系锌离子电池的理想正极材料。然而,VO固有的低电导率的问题会导致其电化学性能不理想。本文提出一种创新,绿色的一步水热法制备了花状的VO/CNTs复合材料。独特的花状形态缩短了离子的传输距离,有利于电解质的渗透。同时,碳纳米管导电网络有利于快速电子转移。通过非原位X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）测试,揭示了Zn的高度可逆的插层机理。电化学测试结果显示,VO/CNTs正极表现出高可逆容量(0.1 A g时容量为410 m Ah g)和长循环稳定性（1000次循环后容量保持率为97.5%）。该工作为设计水系锌离子高性能正极材料提供了参考。