层状及隧道型钒酸钾钙离子电池正极材料的制备及性能研究
发布时间：2021-04-06 05:28
基于锂电池存在不能满足大规模储能的瓶颈,迫切需要探索低成本、更安全（无枝晶形成）以及更高理论比容量的多价正离子电池。探索一种具有高比容量,好的循环稳定性的钙离子电池正极材料对钙离子电池的发展具有重大意义。本文利用XRD、SEM、TEM、XPS等表征技术,运用电化学分析测试手段,对几种钒酸钾材料的作为钙离子电池正极材料在硝酸钙电解液中的电化学性能进行了较系统地研究。首先系统研究了五种钒酸钾材料在1M硝酸钙电解液中的电化学性能,其中水热合成法制备获得综合性能最佳的层状结构钒酸钾K2V6O16·2.7H2O。层状结构钒酸钾:双层结构的钒酸钾K0.5V2O5具有相对较高初始容量,在100 mA g-1的电流密度下放电容量可接近45 mAh g-1。V3O8层状结构的钒酸钾KV3O8在100 mA g-1...
【文章来源】：烟台大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普鲁士蓝充放电过程示意图[26]
烟台大学硕士学位论文5下也是实现了钙离子的嵌入和脱出，且在电流密度为10mAg-1下得到约为80mAhg-1的放电容量[20]。此外，NFCN（N：Ni）在与MFCN同样的有机体系下也是实现了钙离子的嵌入和脱出，其得到了接近60mAhg-1的放电容量[23]。另外，普鲁士蓝类似物KxMFe(CN)6·nH2O也被证实了可以实现钙离子的嵌入和脱出，其实现了接近了50mAhg-1的放电容量以及接近92%的库伦效率[24]。正极和负极均采用开放结构材料的水系钙离子电池也被报道，其充放电原理示意图如图1.2所示，其中，负极采用了综合性能较佳的有机高分子材料聚酰亚胺[N,N"-(ethane-1,2-diyl)-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxiimide](PNDIE)，这材料具有不溶于水、结构稳定、开放结构等优点。正极采用铁氰化物(CuHCF)也是一种具有结构稳定、开放结构等优点的材料[25]。使用这两种材料获得了之前未有的高的容量和好的循环性能，为探索钙离子电池嵌脱机制提供了基础，为我们今后继续深入探索钙离子电池提供了指导性的思路。图1.2聚酰亚胺-铁氰化物水系钙离子电池充放电过程示意图[25]Fig.1.2Schematicillustrationofthepolyimide–CaxCuHCFaqueousrechargeableCa-ionbattery[25]1.3.2过渡金属氧化物及其衍生物五氧化二钒(V2O5)嵌入和脱出钙离子的能力在十几年前就得到了验证[30,31]，但因为钙常温下无法电镀和剥离使得其研究缓慢，使得关于五氧化二钒关于钙离子电
烟台大学硕士学位论文7图1.3V2O5的晶体结构：邻近金字塔内的红色大球代表V，蓝色小球体代表O[52]Fig.1.3CrystalstructureofV2O5:largeredspheresinsidethenearestneighborcoordinationpyramidsrepresentV,smallblueonesrepresentO[52]1.4.2钒酸钾五氧化二钒在引入金属元素后，可以在引起其复杂结构的变化，占据其中的一些位点，使得本为层状结构的五氧化二钒甚至产生结构的变化。目前，钒酸盐在锂电等都得到了良好的电化学性能，如单晶的K2V8O21[53]、棒状的Ca0.24V2O5·H2O[54]、LiV3O8[55]等钒酸盐材料都在在锂电池中都得到了优良的性能，甚至无定型的氧化钒得到了极佳的循环性能[56]，此外，在锌电池[57]、钾电池[58]，钒酸盐也都表现出不错的性能。最重要的是，有关报道证明了钒酸钾纳米线的层状表面结构与K离子之间存在协同增效作用，可提高纳米线的储能性能[59]。因此，本论文主要研究的是引入钾离子后的层状及隧道型结构的钒酸钾，在利用钒酸盐合成简单、含量丰富、钒丰富的价态和其具有优良嵌锂能力的基础上进行了深入的研究。1.5本文的研究意义和内容1.5.1本文研究的意义近年来，随着电动汽车和移动电话的快速发展，人们对性能的要求不断提高，这引起了人们对可充电锂离子电池的关注。然而，因为开采成本、安全性和有限的
本文编号：3120856
【文章来源】：烟台大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普鲁士蓝充放电过程示意图[26]
烟台大学硕士学位论文5下也是实现了钙离子的嵌入和脱出，且在电流密度为10mAg-1下得到约为80mAhg-1的放电容量[20]。此外，NFCN（N：Ni）在与MFCN同样的有机体系下也是实现了钙离子的嵌入和脱出，其得到了接近60mAhg-1的放电容量[23]。另外，普鲁士蓝类似物KxMFe(CN)6·nH2O也被证实了可以实现钙离子的嵌入和脱出，其实现了接近了50mAhg-1的放电容量以及接近92%的库伦效率[24]。正极和负极均采用开放结构材料的水系钙离子电池也被报道，其充放电原理示意图如图1.2所示，其中，负极采用了综合性能较佳的有机高分子材料聚酰亚胺[N,N"-(ethane-1,2-diyl)-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxiimide](PNDIE)，这材料具有不溶于水、结构稳定、开放结构等优点。正极采用铁氰化物(CuHCF)也是一种具有结构稳定、开放结构等优点的材料[25]。使用这两种材料获得了之前未有的高的容量和好的循环性能，为探索钙离子电池嵌脱机制提供了基础，为我们今后继续深入探索钙离子电池提供了指导性的思路。图1.2聚酰亚胺-铁氰化物水系钙离子电池充放电过程示意图[25]Fig.1.2Schematicillustrationofthepolyimide–CaxCuHCFaqueousrechargeableCa-ionbattery[25]1.3.2过渡金属氧化物及其衍生物五氧化二钒(V2O5)嵌入和脱出钙离子的能力在十几年前就得到了验证[30,31]，但因为钙常温下无法电镀和剥离使得其研究缓慢，使得关于五氧化二钒关于钙离子电
烟台大学硕士学位论文7图1.3V2O5的晶体结构：邻近金字塔内的红色大球代表V，蓝色小球体代表O[52]Fig.1.3CrystalstructureofV2O5:largeredspheresinsidethenearestneighborcoordinationpyramidsrepresentV,smallblueonesrepresentO[52]1.4.2钒酸钾五氧化二钒在引入金属元素后，可以在引起其复杂结构的变化，占据其中的一些位点，使得本为层状结构的五氧化二钒甚至产生结构的变化。目前，钒酸盐在锂电等都得到了良好的电化学性能，如单晶的K2V8O21[53]、棒状的Ca0.24V2O5·H2O[54]、LiV3O8[55]等钒酸盐材料都在在锂电池中都得到了优良的性能，甚至无定型的氧化钒得到了极佳的循环性能[56]，此外，在锌电池[57]、钾电池[58]，钒酸盐也都表现出不错的性能。最重要的是，有关报道证明了钒酸钾纳米线的层状表面结构与K离子之间存在协同增效作用，可提高纳米线的储能性能[59]。因此，本论文主要研究的是引入钾离子后的层状及隧道型结构的钒酸钾，在利用钒酸盐合成简单、含量丰富、钒丰富的价态和其具有优良嵌锂能力的基础上进行了深入的研究。1.5本文的研究意义和内容1.5.1本文研究的意义近年来，随着电动汽车和移动电话的快速发展，人们对性能的要求不断提高，这引起了人们对可充电锂离子电池的关注。然而，因为开采成本、安全性和有限的
本文编号：3120856
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