金屬氧化物的快速氫化及其在鈉離子電池中的套用

《金屬氧化物的快速氫化及其在鈉離子電池中的套用》是依託江蘇大學，由邱靜霞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬氧化物的快速氫化及其在鈉離子電池中的套用
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：邱靜霞
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

先進能源材料和能源存儲系統關係著我國經濟和生活的命脈。開發適合鈉離子嵌入/脫出的電極材料與工藝一直是二次電池研究領域的前沿方向。當前由於電池材料本身鈉離子嵌入/脫出傳輸能力緩慢和導電性不足的限制，鈉離子電池的發展遠落後於鋰離子電池。氫化是一種簡單、易操作、成本效益高的技術，可提高材料的電子導電性和修飾晶體結構。本項目擬以高溫高壓快速氫化技術修飾金屬氧化物，拓寬離子傳輸通道，增強其在電化學過程中的導電能力。修飾處理過的電極材料將套用於鈉離子電池，以期大幅度降低電池的成本並提升其能量和功率密度。本項目系統研究氫化過程對材料物質結構的物化性質的影響、及與能源儲存性能之間的定量構效關係，探求並闡述氫化對各種電極材料的作用機理，為生產實現低成本，高能量密度、以及大功率密度二次電池奠定基礎。另外，氫化技術可以直接導入現代化電極材料生產工藝並用於大批量生產。

結題摘要

鈉離子電池被認為是風能和太陽能等可再生能源電網儲能的一種有前景的、具有成本效益的替代品。開發高倍率、高循環穩定性的新型電極材料是鈉離子電池面臨的迫切問題。因此，本項目主要開展了以下幾方面的研究。通過水熱法、溶膠凝膠法、熔鹽法等方法設計合成了一系列金屬氧化物電極材料（Bi基、TiO2、SnO2、SiO2等），採用XRD、SEM、TEM、XPS、Raman、BET等手段對材料的組成和結構進行了系統的表征，並將其套用於鈉離子/鋰離子電池的中。研究結果表明：合成的獨特的多孔Bi-NS@C複合材料提高了材料的導電性能，為快速存儲鈉提供豐富的活性位點和彈性多孔結構，表現出卓越的電化學性能。設計並成功地合成了以穩定的C-S化學鍵固定在石墨烯表面的Bi2S3@rGO複合材料。由於複合材料組分的協同作用和獨特的結構，使得負極材料具有很高的可逆性和顯著的倍率性能。並用原位XRD證實了複合材料在鈉離子電池中的反應機理。通過溶膠凝膠法製備的均勻TiO2 納米顆粒，研究了不同碳含量對TiO2@NC複合材料的電化學性能的影響。結果表明，TiO2納米顆粒有利於與電解液接觸，提供更多的活性位點，同時減少Li+的傳輸路徑； TiO2@NC複合材料具有較大的比表面積和孔體積同樣有利於Li+的傳輸； TiO2@NC複合材料可以有效解決純TiO2導電性問題以及減少Li+傳輸距離，提高電極的電化學性能。通過水熱法製備出SnO2@NC複合材料，SnO2納米小顆粒均勻分散在NC材料表面。研究了不同反應時間、不同NC複合量等對SnO2@NC複合材料的結構和電化學性能的影響規律。最終發現，SnO2@NC複合材料獲得了優異的電化學性能。設計製備了類紅毛丹的核殼結構SiO2@MNPC複合材料。獨特的核殼結構有效的抑制了材料的體積膨脹，多孔的氮、磷共摻雜碳殼有效的提高了離子和電子傳輸效率，增加了更多的儲鋰活性位點。該複合材料展現出優異的電化學性能，在500 mA g-1下通過1000次循環後比容量無明顯衰減，電流密度達到2000 mA g-1後容量還有300 mAh g-1。