论文部分内容阅读
随着人类生活对电子产品的需求剧增,锂离子电池已经成为电子产品的主要供电电源。与锂离子电池工作原理类似,钠离子电池具有与锂离子电池可比拟的能量密度和功率密度,但是钠元素在地球上丰富度高且价格低廉,有望成为下一代储能系统的主导者。在各种钠离子电池负极材料中,金属钠负极由于其高的理论比容量(1166 mA h g-1)和最低的电化学电势（相对于标准氢电极为-2.714 V）,被认为是最有潜力的负极材料。然而钠金属负极面临着巨大的挑战:在钠沉积/剥离的过程中表现出不均匀的沉积、无限的体积膨胀、枝晶问题以及不稳定的固体-电解质-界面（SEI）膜,严重地限制钠金属负极的发展。为了解决枝晶问题,根据电沉积枝晶生长Sand’s时间公式,本文提出利用三维石墨烯泡沫/碳纳米管（3D GF/CNT）作为钠金属宿主,抑制钠枝晶,提高钠金属负极电化学性能。另外,本文制备了 Na3V2（PO4）2O2F（NVPOF）复合还原氧化石墨烯（rGO）（表示为NVPOF@rGO）纳米材料作为正极,与负极Na@GF/CNT匹配应用于钠离子全电池,具体的研究内容和结果如下:（1）通过构建大比表面积的3D GF/CNT三维立体结构,降低电流密度,从而诱导钠离子均匀沉积,有效抑制枝晶的形成并稳定SEI膜,同时3D GF/CNT优良的柔韧性和丰富的多孔空间结构能够适应反复沉积/剥离过程中钠金属的大体积变化。将3D GF/CNT作为钠金属的稳定宿主,研究钠金属在其上沉积的电化学行为,包括沉积形貌演化,电化学性能测试。电化学测试表明,在4 mA cm-2的大电流密度下,过电势仅为15 mV,可以稳定循环超过450个循环。（2）利用正负电荷相互吸引的方法将氧化石墨烯（GO）覆在NVPOF的表面,通过退火处理制备NVPOF@rGO复合材料,并作为钠离子电池正极材料。重点研究钠离子在NVPOF@rGO复合材料中的存储行为和性能,特别是分析钠离子在NVPOF@rGO材料中的迁移速率。实验数据表明,rGO可以明显提高导电性,提高钠离子迁移速率。其中,NVPOF@rGO-5纳米复合材料表现出最优异的循环性能和倍率性能,在高倍率5 C下,经过1000次循环后仍能保持61.2 mA hg-1的容量,容量保持率为85%,平均库伦效率高达99.5%。（3）以Na@GF/CNT作为负极,NVPOF@rGO复合材料作为正极制备全电池,初步测试其电化学性能,结果显示Na@GF/CNT作为负极的全电池初始放电容量为100 mA h g-1。