基于柔性碳纤维复合电极的钠离子电池的制备与研究

摘要

钠离子电池作为一种新型的二次电池日益受到人们的关注，其低廉的成本、优异的电化学性能和安全性能使其成为可能取代锂离子电池作为下一代高能量密度动力电池、大规模储能以及消费类电子储能器件的理想选择。目前，轻薄化和柔性化成为消费类电子产品的主要发展趋势，而柔性储能器件是柔性电子产品的核心部件，其中柔性钠离子电池具备的优势使其成为柔性储能中较有潜力一种选择。而当前钠离子电池的研究与发展还处在起步阶段，其中电极材料成为制约其发展的关键因素，因此构建具有合适电压窗口、高比可逆容量和稳定结构的柔性电极材料至关重要。本论文从电极材料的制备、柔性电极和柔性器件的构建等方面对柔性钠离子电池负极材料进行了深入的研究。 本论文首先提出了一种新型的柔性电极复合结构，将空心的NiS2纳米颗粒均匀内嵌在多孔碳纤维的体相中，并对这一电极材料进行了全面的微观结构表征，同时将其应用在钠离子电池体系中进行性能测试与研究。具体方法是通过浸渍法在预硝酸处理的酚醛基活性碳纤维内负载Ni(NO3)2，再通过高温还原处理得到多孔碳纤维内嵌Ni金属纳米颗粒的复合材料，然后进行硫化得到多孔碳纤维内嵌空心NiS2纳米颗粒的复合电极材料。制备的复合电极材料在钠离子电池中具有优异的电化学性能，在0.1C下得到733mAh g-1的高可逆比容量，42％的倍率保持（从0.1C到10C），在5C下循环5000圈有76％的循环保持率。这些出色的电化学性能主要归因于该电极材料独特的结构优势，三维多孔结构不仅能够有效缓解钠离子脱嵌过程中体积变化导致的活性物质损失，而且三维导电骨架和高活性比表面积有利于电子和离子的输运。另外，为了验证这一复合结构的优势，制备并表征了将NiS2纳米阵列沉积在碳纤维表面的复合电极，通过对比，内嵌于体相的复合结构相较于复合在表面的结构具有更好的倍率性能和循环稳定性。 然后，为了验证所制备的柔性复合电极应用在柔性电池中的可行性，设计和组装了一种线缆式柔性钠电池，并对这一器件进行了电化学性能测试以及在弯曲工况下的性能测试。结果表明，该柔性钠电池具有较高的能量密度和循环稳定性，并在柔性评估的弯曲工况下表现良好，从而证明了这种结构的柔性器件具有一定的应用前景，同时也验证了所制备复合的电极在柔性储能中的可行性，为复合电极的构建和柔性电极的制备提供了一种新的方法和思路。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1引言

1．2钠离子电池简介

1．2．1钠离子电池的发展及特点

1．2．2钠离子电池的组成及工作原理

1．2．3钠离子电池的电极材料及电解液

1．3钠离子电池负极材料

1．3．1碳基材料

1．3．2合金化反应类材料

1．3．3金属氧/硫化物类材料

1．3．4其它负极材料

1．4柔性电池

1．4．1柔性电池的发展前景和关键技术

1．4．2柔性电池的研究进展

1．4．3柔性电池中柔性电极的研究进展

1．4．4碳纤维在柔性电池中的应用

1．5本论文的研究目的和内容

1．5．1研究目的

1．5．2研究内容

2实验方法

2．1实验试剂和仪器

2．1．1实验试剂

2．1．2实验仪器

2．2材料微观结构和成分分析

2．2．6热重分析仪(TGA)

2．2．7氮气吸脱附测试

2．4．2循环伏安测试和交流阻抗测试

3碳纤维基复合电极材料的制备与研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1合成Ni纳米颗粒(∈)多孔碳纤维复合材料

3．2．4材料结构表征

3．3材料的结构表征与分析

3．3．1 Ni纳米颗粒(∈)多孔碳纤维

3．3．2多孔碳纤维

3．3．3 NiS2纳米颗粒(∈)多孔碳纤维

3．3．4 NiS2@碳纤维

3．5本章小结

4碳纤维基复合电极材料的储钠性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1扣式电池的制各

4．2．2电化学性能测试

4．3电化学性能分析与研究

4．4本章小结

5柔性钠电池的制备与研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1线缆式柔性电池的设计与制备

5．2．2柔性钠电池的性能测试

5．3柔性钠电池性能测试与分析

5．3．1柔性钠电池工作状态展示

5．3．2柔性钠电池电化学性能测试与分析

5．3．3柔性钠电池在弯曲工况下性能测试与分析

5．4本章小结

6总结及工作展望

6．1总结

6．2工作展望

致谢

参考文献

附录