柔性钛基钠离子电池负极材料的研究

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伴随便携式可穿戴电子产品行业的快速发展,柔性储能装置吸引广泛关注。其中,钠离子电池由于使用的钠盐储量丰富,价格低廉优势,且能量密度可与磷酸铁锂电池相媲美,有望成为下一代储能体系。电极材料作为电池关键部件很大程度上决定电池的性能和成本。因此,设计和制备柔性电池材料对推动储能体系发展具有重要研究意义。钛基材料因其独特结构实现钠离子可逆脱嵌,且种类丰富、资源广泛、环境友好等特点,已成为钠离子电池重要负极材料。然而,由于宽带隙造成低导电性,大表面能导致层状重堆积,以及钠离子脱嵌引起体积形变等问题,钛基材料的储钠动力学受到极大限制。因此,本论文以钛基材料为研究主体,围绕提高储钠动力学的结构设计,提出限域转化策略,制备出多种柔性钛基电极材料,并用于钠离子储存。具体研究内容如下:(1)通过真空抽滤法结合水热法制备了由超薄钛酸钠(NTO)层和还原氧化石墨烯(rGO)层组成的柔性薄膜。NTO层限域在rGO层中,并与rGO层组装成夹层三明治结构。这种三明治结构能有效地阻止NTO层自堆积,同时加快电子传递和钠离子传导。柔性NTO/rGO膜具有良好的机械性和柔性,直接作为钠离子电池负极材料。柔性NTO/rGO电极在5 A g-1电流下,经过10000圈循环后,容量维持72 mA h g-1,表现出超高循环稳定性。同时,柔性NTO/rGO电极也具有优异的倍率性能,在5 A g-1的电流密度下,容量还有97 mA h g-1。(2)提出采用静电纺丝法结合水热法制备出柔性钛酸钠/多孔碳(NTO/PC)纤维。在水热反应下,NTO片层在碱溶液转化生成同时,碳纤维被刻蚀形成表面的孔洞和内部的孔道组成分级多孔结构,能有效提高电解液浸润性和离子快速传递。NTO/PC纤维薄膜经过弯曲、折叠和扭曲后,仍可以恢复原形并保持完整,展现良好柔韧性和机械性。柔性NTO/PC电极在大电流密度12.8 A g-1下,平均比容量保持108.5 mA h g-1,可逆容量恢复平均保持率为94.2%,表现出优异的倍率性能。同时,柔性NTO/PC电极展现出高循环寿命,在10 A g-1电流下,循环7000圈后,比容量维持83 mA h g-1
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