锂(钠)-氟化碳电池放电产物及性能改性研究

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近年来,国内外对锂/氟化碳(Li/CFx)电池的研究做了大量的工作。其中,DMSO/1,3-DO新电解液体系的应用,极大改善了电池的放电性能,比PC/DME体系更具应用价值。本文研究了Li/CFx电池在PC/DME和DMSO/1,3-DO两种不同电解液体系下,放电产物Li F晶粒的结晶和生长的动力学过程。针对Na/CFx电池存在极化现象以及循环性能差的问题,采用对CFx电极进行碳包覆和加入过渡金属氧化物催化剂等方法,对Na/CFx电池的进行改性研究。本论文主要的研究内容与结论如下:(1)配制了1 mol·L-1的Li BF4+DMSO/1,3-DO基以及Li BF4+PC/DME(5:5,v:v)的两种电解液体系,通过X射线衍射和扫描电镜对放电产物Li F进行表征。将含有DMSO/1,3-DO(5:5,v:v)和PC/DME(5:5,v:v)两种电解液体系的Li/CFx电池进行不同时间(2,4,6,8和10 h)的放电测试,通过XRD分析得到晶体生长的动力学信息。结晶动力学分析结果表明,Li F晶粒在PC/DME和DMSO/1,3-DO电解液体系中的生长动力学过程分别适用于二维扩散模型与成核和核生长模型。(2)将柠檬酸作为碳源,采用水热法制备了3组不同碳包覆量(5 wt.%、10wt.%、15 wt.%)的CFx@C材料。通过XRD、SEM和TEM对材料的成分与形貌进行了表征,并对材料进行了恒流充放电和交流阻抗等电化学性能测试。测试结果表明,3组不同包覆比例的材料中,碳包覆量为5 wt.%的Na/CFx电池的电化学性能最佳,在首圈和第二圈循环的放电比容量为873.2和201.3 m Ah·g-1,比纯CFx电池的放电比容量提高了18%和47%。(3)分别采用水热法和溶胶-凝胶法制备了复合材料Co3O4-Ti O2和Zr O2材料,并对其进行了XRD、SEM、EDS、mapping等物相与形貌表征。将Ti O2、Co3O4、Co3O4-Ti O2以及Zr O2材料作为催化剂按10 wt.%质量比加入钠/氟化碳(Na/CFx)电池正极材料中,进行恒流充放电、EIS以及CV等电化学测试。测试结果表明,加入四种催化剂后,Na/CFx电池的放电比容量得到明显改善。其中,Zr O2催化剂表现出最佳的催化性能。在第50圈时的放电比容量为137.3 m Ah·g-1,极大地改善电池的循环性能。
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