釩鈦基化合物的合成及其儲鉀性能研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，二次電池在人們的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著日益重要的作用。其中具有高能量密度、良好循環(huán)性能的鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備、電動汽車以及部分智能電網(wǎng)等儲能應(yīng)用上取得了巨大的成功。但是，鋰資源有限的儲量、地域的分布不均以及不斷上漲的價格限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。而近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，使人們把目光轉(zhuǎn)向了太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉矗瑫r對廉價高效的大規(guī)模儲能裝置提出了新的挑戰(zhàn)。作為堿金屬之一的鈉儲量豐富而且來

2、源廣泛，同時鈉具有與鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)。因此，鈉離子電池在近些年來引起了廣泛的關(guān)注，也取得了長足的發(fā)展。作為另外一種堿金屬的鉀也具有豐富的儲量與廣泛的來源，同樣具有與鋰、鈉相似的物理化學(xué)性質(zhì)。由此鉀離子電池引起了部分研究者的關(guān)注。但值得注意的是，Na/Na+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（-2.71 V vs. SHE）要高于Li/Li+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（-3.04 V vs. SHE））和 K/K+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（-2.93 V vs. SHE）。因

3、此鉀離子電池比鈉離子電池在輸出電壓方面和容量方面更加有優(yōu)勢。此外，由于K+比Li+和Na+具有更弱的路易斯酸度，使得 K+在電解質(zhì)中以及電解質(zhì)與電極界面具有更快的遷移速度，可能會促使鉀離子電池在倍率性能方面具有更加出色的表現(xiàn)。因此，研究與發(fā)展鉀離子電池將變得是十分有意義。本文在闡述當(dāng)前鉀離子電池的最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地制備了一些新穎的釩鈦基化合物，以改善當(dāng)前鉀離子電池電極材料匱乏的現(xiàn)狀，為發(fā)展具有良好性能的鉀離子電池電極材料提供了

4、新的思路；合成了具有特殊形貌結(jié)構(gòu)的微納米材料，并對其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征以及對其電化學(xué)性能的測試，分析了材料結(jié)構(gòu)對其性能的影響；通過碳包覆以期改善其電化學(xué)性能，并探討了碳包覆對其性能提高的原因。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴用溶劑熱法合成了書本狀的釩基化合物K0.23V2O5并將其用于鉀離子電池正極材料，測試其電化學(xué)性能所得結(jié)果較差，可能是由于鉀離子較大的離子半徑不利于其在K0.23V2O5中脫嵌。于是我們嘗試將該材料用于鋰離子電池正極

5、材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，在50 mA g-1的電流密度下得到了244 mA h g-1的比容量。經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其特殊的層狀結(jié)構(gòu)縮短了鋰離子遷移距離同時提高了鋰離子遷移效率；其中摻雜的鉀離子使其在循環(huán)過程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。⑵合成了三維多孔的K3V2(PO4)3/C納米復(fù)合物，并將其創(chuàng)新地用做鉀離子電池正極材料。通過將其電化學(xué)性能與塊狀的K3V2(PO4)3進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電化學(xué)性能有顯著的提高，這歸因于三維的多孔結(jié)構(gòu)、K3V

6、2(PO4)3較小的納米尺寸以及原位包覆的碳層。值得注意的是，三維多孔結(jié)構(gòu)便于鉀離子遷移并縮短了其遷移距離；納米尺寸的K3V2(PO4)3顆粒更加容易被電解液浸潤，從動力學(xué)因素考慮更加容易參與反應(yīng)；原位包覆的碳層起到增加材料導(dǎo)電性、促進(jìn)SEI膜形成及在循環(huán)過程中穩(wěn)固材料結(jié)構(gòu)的作用。⑶借助溶劑熱法合成了由納米棒組裝成的鈦基化合物 K2Ti8O17并將其應(yīng)用于鉀離子電池負(fù)極材料。接下來進(jìn)一步探究了其特殊的形貌結(jié)構(gòu)對其性能的影響，經(jīng)過與塊狀的