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锂/钠离子电池金属硫氧化物负极结构设计及制备

锂/钠离子电池金属硫氧化物负极结构设计及制备

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作者：刘燊华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

化石燃料的日益枯竭以及环境问题导致风能和太阳能等可再生能源引起广泛的关注,这些可再生能源的利用高度依赖于电化学储能系统（ESS）的时效性。过渡金属硫氧化物因其理论容量高、安全性好、生态友好、储量巨大等优点,近年来受到了广... 详细信息

化石燃料的日益枯竭以及环境问题导致风能和太阳能等可再生能源引起广泛的关注,这些可再生能源的利用高度依赖于电化学储能系统（ESS）的时效性。过渡金属硫氧化物因其理论容量高、安全性好、生态友好、储量巨大等优点,近年来受到了广泛关注,成为一种非常有前途的电化学储能电池负极材料。然而,由于循环过程中体积变化大,以及动力学限制和热力学限制,它们往往表现出低初始库仑效率、低倍率能力和快速容量衰减。根据这些问题,本文从负极材料的微观结构设计以及锂/钠离子电池的结构设计两部分进行改性研究。首先,本文开发了一种通用且可扩展的旋涂方法,将锂离子电池中的玻璃纤维隔膜、无集流体的负极以层叠结构结合起来,构建了一种无集流体电极。其中二元复合负极材料的设计涉及通过简易的超声分散工艺对MoS2与氧化石墨烯进行复合,形成分散液。将电活性材料分散液通过简易旋涂工艺浇铸在SiO2改性隔膜的一侧。这种SiO2改性的玻璃纤维隔膜,保留了原有的三维网状结构基础上,同时还包覆了 SiO2陶瓷层,不仅防止了渗透到隔膜另一侧造成电池短路,还可以使活性材料更牢固的涂覆到隔膜上。这种无集流体负极结构的锂离子电池配置提供了比普通电极更加稳定的可逆比容量（在0.5 C下循环100圈比容量保持在496 mA h g-1）以及高倍率下令人满意的容量保持率。这种无集流体电极的电池模型通过一系列材料和性能测试,证明了这种结构的可行性,同时也为柔性电子设备中的结构设计提供了新的思路。此外,本文还使用强度高的一维TiO2纳米线作为基体,通过简单的溶剂热方法将这些纳米片串在一起,以构建成串状的多层次结构（TiO2（B）-BH）,其具有快速的赝电容行为、高结构稳定性和有效的离子/电子传输。凭借这种结构设计的优势,TiO2（B）-BH具有更高的容量（在0.5 C下131 mA h g-1）。值得一提的是,在10 C下高达500次循环的可逆容量仍然可以保持在85 mA h g-1。同时,我们还通过非原位X射线粉末衍射试验进一步分析了钠的储存机理,证明了 TiO2（B）-BH在钠化/脱钠过程中的高结构稳定性。这种将纳米片均匀集成到基体中的策略也有望扩展到制备其他能源设备的电极材料结构。

关键词：锂/钠离子电池金属硫氧化物串状多层次结构无集流体电极

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