铜基钠离子电池负极材料的研究

摘要

随着电子设备和电动汽车（EV）的快速发展及其在生活中的普及，研究高效率、资源丰富和环境友好的储能材料以实现人类社会的可持续发展成为当务之急。然而，大部分可再生能源由于其不可控和间歇性等缺点使得不能够提供稳定的能源供给。到目前为止，锂离子电池在过去二十年的发展中取得了巨大的成功，锂离子电池已经被广泛的应用于电子设备和电动汽车等设施上并渗透到生活的各处。然而，由于锂资源的限度，限制了锂离子电池的大规模应用和可持续性发展。因此，迫切需要发展可代替的能源存储系统。钠离子电池由于钠资源丰富和价格低廉，使得钠离子电池作为替代锂离子电池的能源存储系统引起了广泛的关注。因此，发展高性能的钠离子电池将对未来的大规模能量存储的应用产生深远的影响。然而，相比于研究较为成熟的锂离子电池，钠离子电池现在仍然处于研究不成熟的阶段。钠离子具有与锂离子相似的物理和化学性质，然而，相比于锂离子钠离子具有更大的离子半径，导致其在电化学过程中的严重滞后和剧烈的体积膨胀。因而，大多数应用于锂离子电池的高效的电极材料不再适用于钠离子电池。负极材料作为钠离子电池的重要组成部分显著的影响着钠离子电池整体的电化学性能。此外，负极材料的成本也影响着钠离子电池的大规模应用和发展。因此，发展适用于钠离子电池的高效和低成本的负极材料对钠离子电池的发展起着至关重要的作用。目前，铜基负极材料由于其资源丰富和价格低廉显示出较大的优势并受到广泛的关注。本文制备了CuO和Cu3P两种铜基负极材料，并将其分别作为钠离子电池负极材料进行了一系列的电化学测试和表征。
　　（1）CuO纳米片作为高容量的钠离子电池负极材料。通过使用二水氯化铜、氢氧化钠和水作为反应原材料，利用简单的水热合成方法制备了大小均匀、形貌均一的二维CuO纳米片。通过水热合成方法制备得到的二维纳米片结构相对于球磨等方法得到的材料具有更大的比表面积，并且作为钠离子电池电极材料时，在充放电过程中具有更短的离子和电子传输途径以及更大的缓冲空间容纳活性材料的体积变化。CuO纳米片作为钠离子电池负极材料时，使用羧甲基纤维素钠（CMC）作为粘结剂，在较低电流密度（50 mA g-1）下，表现出接近于理论容量（674 mAh g-1）的可逆容量（627.2 mAh g-1），并且在较高电流密度（2000 mA g-1）下，仍然能够提供较高的初始可逆容量（418.4 mAh g-1），且在100次循环后显示出较高的容量保持率（73.4%），显示出较好的容量性能和循环性能。此外，还使用聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂，研究了粘结剂对钠离子电池的电化学性能所起的作用。进一步，为了研究CuO纳米片作为钠离子电池负极材料的实用性，分别以CuO纳米片作为负极和Na3V2(PO4)3(NVP)作为正极，组装成为钠离子全电池并进行测试。
　　（2）通过在铜箔集流体基底上单侧原位生长并磷化制备得到Cu3P纳米线。所制备获得的Cu3P纳米线在铜箔集流体基底上单侧生长，并且制备过程简便，且可以大规模的制备。此外，所制备的Cu3P纳米线可以直接作为电极并应用于钠离子电池而不使用任何导电剂和粘结剂，从而可降低电池成本和简化电池组装过程。Cu3P纳米线直接作为钠离子电池负极（不添加任何导电剂和粘结剂）时，具有较高的可逆容量（当50 mA g-1时349 mAh g-1）、较好的倍率性能（当5000 mA g-1时137.8 mAh g-1）和稳定的循环性能（当1000 mA g-1时，循环260次，平均每个循环仅仅0.12%的容量减少），展现出优越的电化学性能。此外，还制备出不同长度的Cu3P纳米线，研究了Cu3P纳米线长度对钠离子电池的电化学性能的影响，并且还运用了相应的表征对 Cu3P在钠离子电池中的充放电机理进行了研究。进一步，为了研究 Cu3P纳米线直接作为钠离子电池负极（不添加任何导电剂和粘结剂）的实用性，分别以Cu3P纳米线直接作为负极和Na3V2(PO4)3(NVP)作为正极，组装成为钠离子全电池并进行测试。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钠离子电池简介

1.3 钠离子电池的前景及展望

1.4 选题意义及研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 样品表征

2.4 电化学性能测试

第三章 二维CuO纳米片作为高容量的钠离子电池负极材料

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果分析与讨论

3.4 结论

第四章 铜箔集流体基底上单侧原位生长并磷化制备Cu3P纳米线作为无添加剂钠离子电池高性能负极材料

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果分析与讨论

4.4 结论

第五章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果

致谢