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磷（硫）化钒的可控合成与电化学性能研究

磷（硫）化钒的可控合成与电化学性能研究

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作者：叶翔翔广东工业大学

学位级别：硕士

随着能源需求的快速增长和人们对于环境的考虑,促使研究者对可再生清洁能源进一步的开发。钠和钾的丰富自然储量和与锂相似的特性,使得钠离子电池和钾离子电池有望成为取代锂离子电池的新兴能源存储系统。然而,钠离子和钾离子较大的离... 详细信息

随着能源需求的快速增长和人们对于环境的考虑,促使研究者对可再生清洁能源进一步的开发。钠和钾的丰富自然储量和与锂相似的特性,使得钠离子电池和钾离子电池有望成为取代锂离子电池的新兴能源存储系统。然而,钠离子和钾离子较大的离子半径导致了电极材料体积膨胀更为严重,反应动力学更为缓慢等问题。因此,开发合适的负极材料,使其能快速地脱嵌钠/钾离子就变得至关重要。磷化钒基材料和硫化钒基材料作为钒基材料的典型代表,凭借钒的多价态特性展现出令人感兴趣的电化学性能。然而有限的本征电导率和不可避免的体积变化一定程度上限制其发展。本文中针对磷化钒基材料和硫化钒基材料,围绕材料的改性策略,合成制备,物理表征,储钠和储钾性能及其储能机制进行了研究,并取得了一定的研究成果:(1)通过调节投料比,借助简单的高能球磨法合成了不同比例的磷化钒/磷/碳(VP/P/C)复合材料作为钠离子电池的负极材料。得益于构建的P-C共价键的稳定作用,VP/3P/C在常温下表现出较高的比容量(在50 m A g下为550 m Ah g),良好的倍率性能(2 A g下为280 m Ah g)和超过200次的稳定寿命。此外,该材料也表现出优异的高温性能,在60℃下提供了630 m Ah g的高容量,5 A g下375 m Ah g的高倍率容量以及160次的稳定的循环寿命。(2)为克服硫化钒基材料有限的本征电导率,通过结合多组分调控、结构设计及复合材料的策略进行改性。在该改性策略中,首先是通过多组分调控,构造四硫代钒酸铜(CuVS)提高材料的本征电导率;其次是通过静电纺丝法和后续的碳化/硫化工艺将四硫代钒酸铜(CuVS)纳米颗粒均匀地分布在碳纳米纤维(CNFs)导电网络上。其中,CNFs不仅可以进一步提高电导率,还可以缓解电极材料的体积膨胀并避免了活性物质的团聚。CuVS/CNFs复合材料作为钾离子电池负极材料时,展现出了430 m Ah g的高储钾容量,在6 A g的高倍率电流下162 m Ah g的优异的倍率性能以及2000圈的长循环稳定性;作为钠离子电池负极时,其表现出705 m Ah g的高储钠容量,在20 A g的电流密度下272 m Ah g的出色的倍率性能以及在5 A g下经过1000次循环后仍能保持92.9%的初始容量的长循环稳定性。

关键词：磷化钒基材料硫化钒基材料负极材料

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