摘 要

作为应用前景巨大的储能器件，钠离子电池一直备受研究人员的关注，其中电极材料是钠电池研究的重要方向，电极材料的优劣直接影响到电池性能。在近些年的研究中，各类电极材料均有新的进展，其中碳基负极材料以其优异的电学性能，较低的成本，成为研究的热点，本论文以超富集植物东南景天（SH）为碳前驱体，通过高温碳化及磷酸或氢氧化钾活化等方法制备了碳材料，采用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析了碳材料的结构和形貌，并通过电化学测量研究了所制得碳负极的性能。研究结果如下：

1. 相比H₃PO₄活化的碳材料，KOH活化的碳材料因疏松的结构和保留有部分Zn而具有更好的电学性能。
2. KOH活化的碳材料比H₃PO₄活化的碳材料可逆容量更高，循环稳定性更好。

关键词：钠离子电池 负极材料 生物质炭 东南景天

Abstract

As an energy storage device with great application prospect, sodium ion battery has been paid much attention by researchers. Among them, electrode materials is an important research direction of sodium ion battery. In recent years, all kinds of electrode materials have made new progress, among which carbon-based negative electrode materials have become a research focus due to their excellent electrical properties and low cost. In this paper, the carbon material was prepared by super-enriched plant Sedum australis (SH) as a carbon precursor by high-temperature carbonization and phosphoric acid or potassium hydroxide activation. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analysis were used. The structure and morphology of the carbon material were investigated, and the electrochemical properties of the prepared carbon anode were investigated using cyclic voltammetry, charge and discharge tests, and AC impedance. The research results are as follows:

(1) KOH-activated carbon material has higher conductivity due to the retention of part of Zn compared to H3PO4 activated carbon material

(2) The KOH-activated carbon material has higher reversible capacity and better cycle stability than the H3PO4 activated carbon material.

Key words: sodium ion battery; anode material; biomass carbon; Sedum alfredii Hance

目录

摘要 I

abstract II

第一章 绪论 5

1.1前言 5

1.2 电极材料 6

1.2.1 石墨类 6

1.2.2 非石墨类 6

1.2.2.1 软碳 6

1.2.2.2 硬碳 7

1.3 碳材料的制备方法 8

1.4碳基负极材料的储钠机理 9

1.5 生物质碳材料 10

1.6研究意义 11

第二章 实验 12

2.1实验药品及仪器 12

2.2材料合成 14

2.3电化学测量及材料表征 14

2.3.1电池制备 14

2.3.2 CV测试 15

2.3.3 阻抗测试 15

2.3.4 充放电测试 15

2.3.5 XRD衍射 15

2.3.6 SEM扫描电子显微分析 15

第三章 结果与讨论 16

3.1 SEM 16

3.2 XRD 17

3.3 CV曲线 18

3.4 充放电循环测试 20

3.5 阻抗 22

第四章 结论与展望 24

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪论

1.1前言

随着人类开采的不断加剧，化石能源储存量迅速下降，如果不开发新能源，人类将面临能源危机。当前锂离子电池正在逐步取代传统能源，并已广泛使用。但由于锂元素地壳丰度低，因此需要寻找新的储能电池。

钠离子电池的研究虽然同锂离子电池的研究起始时间相近，但钠原子半径比锂大，标准电化学电势比锂低，钠离子电池能量密度比锂低，所以发展相对缓慢。但随着锂资源的短缺，钠资源丰富，对环境友好，价格低等优势逐渐表现出来，在近几年越来越受到研究者重视。

钠离子电池本质上是一种浓度差电池，如图1，充放电时钠离子在正负极材料之间嵌入和脱出^[1]。

图1.1钠离子电池原理图

Fig 1.1 Sodium ion battery schematic^[1]

1.2 电极材料

为开发出性能优良的二次电池，开发处合适的电极材料是重要的研究方向。因此，研究可逆容量高，循环稳定性好的电极材料是重中之重。目前，碳材料因其具有良好的可逆容量和循环稳定性等优点，发展迅速，已成为研究最为深入的电极材料。决定碳材料的作为电池电极材料的电学特性的因素主要有：空间结构、导电性能和表面官能团。现今钠离子电池的碳基负极材料主要有石墨类和非石墨类两种。

1.2.1 石墨类

此类材料结晶度高，结构规则有序，碳层间间距较小。钠离子半径较大，石墨类层间距不易于钠离子的嵌入，普遍认为不能直接作为钠离子电池负极材料使用，但通过一些改性手段可以改变石墨的层间距，以利于钠离子的嵌入^[2]。近些年已有相关研究进展，Wang等用石墨烯和吡咯为原材料在N₂气氛中进行掺杂得到了2D多孔掺杂碳材料,可逆容量达349.7 mAh·g^-1[3]。研究人员认为杂质原子的引入使碳层间距扩大，有利于钠离子的脱/嵌，增加了材料的可逆容量。

1.2.2 非石墨类

非石墨类碳基材料属于无定形碳，具有较大的层间距和多孔的结构，有利于钠离子的嵌入、脱出和沉积，具有比石墨类材料更好的可逆容量。非石墨类碳基负极材料主要包括软碳和硬碳两大类，硬碳可通过生物质材料制备，对环境友好，是较为理想的负极材料，也是近年来的研究热点。

1.2.2.1 软碳

软碳材料内部的石墨微晶相对规整，排布有序，与石墨类材料结构基本接近。常见的软碳有石油焦、针状焦、碳纤维和碳微球^[4]。软碳中的结构主要有：微晶结构、无定形结构等^[5]。软碳储钠机理主要表现为钠离子在层间的嵌入和脱出，与表面官能团的结合等。1993年Doeff等报道了Na 离子在软碳材料中的嵌入，通过形成NaC₁₅化合物来储钠^[6]。软碳对钠有一定的储存能力，但研究显示其可逆容量、循环性能较低，因此不适合作为理想的负极材料。

1.2.2.2 硬碳

与软碳相比，硬碳的微观结构更加无序、杂乱，碳层间距更大，因此拥有更多的储钠位点。而且硬碳的来源很广，尤其生物质衍生硬碳，以其环境友好的优势成为了硬碳的主要来源之一。一般常见的硬碳有：焦炭、碳纤维、碳黑、生物质碳等。早在2000年，Dahn等就首次报道了葡萄糖热解碳的电化学嵌钠反应行为，发现该材料具有300 mAh·g^-1以上的可逆比容量，远超于石墨和软碳材料^[7]。目前，研究人员主要从两个方面提高硬碳储钠性能，一是碳源选择，优异的碳源可以在后期改性操作中起到事半功倍的效果；二是合成方法。以此为出发点，研究人员已制备出了一系列具有不同结构、不同形貌和元素掺杂的硬碳材料，并取得了优异的储钠性能。张宏伟，陆佳敏等以葡萄糖为碳源,采用简单的水热法合成了多孔结构的碳纳米球,并通过KOH活化及N、S掺杂对其进行改性，作为钠离子电池的负极材料,该碳纳米球在20 mA·g^-1的电流密度下表现出高达527 mAh·g^-1的初始比容量,并且在500 mA·g^-1的高电流密度下经过1 000次循环之后仍保持了95.2%的初始比容量^[8]。

生物质具有碳含量高，大的比表面积，高导电性，环境友好性，成本低廉等优点，且生物质碳材料本身含有较多的边缘缺陷及O、N、P、S等的官能团，有利于Na 运输和储存，所以是制备硬碳电极材料的理想前驱体。生物质衍生硬碳材料制备过程中可加入活化剂，使其与碳材料中的碳原子发生反应，通过蚀刻碳原子来形成多级孔结构，从而提高储钠容量。也可在生物质碳材料中引入杂质原子，引入的杂原子使碳材料在充放电的过程中发生法拉第反应，可以产生额外的比电容量。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：