摘要：锂资源的稀缺性、分布不均匀及逐年上升的锂消耗量导致锂离子电池（LIBs）的价格偏高,限制了LIBs在智能电网...锂资源的稀缺性、分布不均匀及逐年上升的锂消耗量导致锂离子电池（LIBs）的价格偏高,限制了LIBs在智能电网等大规模储能体系中的应用。在碱金属元素中,K在地壳中的储量丰富、分布广泛且价格低廉,并且K的物化性质与Li相似,K+/K的标准电极电势与Li+/Li相近,这些优点使得钾离子电池（KIBs）有望应用于大规模储能领域。然而钾离子半径较大,扩散动力学缓慢,使得钾离子电池的倍率性能和稳定性能较差。目前研究具有快速可逆反应的钾离子电池正负极材料是科研工作者的研究热点。正交晶系五氧化二铌（T-Nb2O5）,具有层状结构、开放的骨架和良好的化学稳定性等独特性能,作为锂电池和超级电容器的电极材料受到广泛关注。T-Nb2O5的（001）晶面大的晶格间距（0.39 nm）,可以容纳Na+、K+等大半径阳离子,有利于快速扩散。然而关于T-Nb2O5作为钾离子电池负极的研究及其工作机理尚未见报道。本论文采用水热合成法,制备了具有微纳分级结构的T-Nb2O5,并研究了它作为钾离子电池负极材料的可行性,进而将其用于钾基双离子电池的负极,改善了双离子电池插层型负极动力学不足和合金型负极体积膨胀电极易粉化的问题,提高了双离子电池的循环和倍率性能。具体研究内容主要分为以下两个部分:（1）通过水热法合成了具有微纳分级结构的T-Nb2O5,将其用于钾离子电池负极并详细探讨了T-Nb2O5材料插层-赝电容行为的混合储钾机制。由于快速扩散行为和分层纳米结构的协同作用,T-Nb2O5表现出优异的储钾性能,在0.4 A g-1的电流密度下容量为104 mAh g-1,循环400次每次循环容量仅衰减0.068%。（2）进一步地,我们以该T-Nb2O5纳米线为负极,膨胀石墨为正极,组装了一种新型钾型双离子电池,表现出优异的倍率性能和循环稳定性:在30C（2min充电）的大电流密度下容量仍能保持91%,并且在20C下循环1000次后,容量保持率86.2%,是目前报道的钾型双离子电池中的最佳性能。另外我们通过对循环前后电极片进行表征,探究了双离子电池的反应机理以及钾离子和阴离子在负极和正极中的插入/脱出行为,进一步解释了该双离子电池电化学性能优异的原因。更多还原显示全部
摘要：随着现代科学技术的发展,手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子设备在人们的日常生活中扮演着不可替代的...随着现代科学技术的发展,手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子设备在人们的日常生活中扮演着不可替代的角色,电子设备的运行离不开储能电池的支撑,锂离子电池具有高能量密度、工作范围宽、无记忆效应且无气体排放等优点,被广泛用作便携式电子设备的储能电池来提供能量,全球可充电锂电池的的市场总值高达100亿美元,并且呈逐年增长的趋势。然而,到目前为止,锂离子电池一直受限于资源短缺,生产成本高以及无法满足对容量日益增长的需求。为了解决这些问题,科研工作者们一直在寻找低成本高性能的可替代锂离子电池的储能器件。双离子电池由于低成本、对环境友好且工作电压高,成为科研工作者们研究的新热点。然而,石墨正极较大阴离子的可逆插层/脱嵌会带来较慢的扩散动力学和较大的体积膨胀,从而导致电池较差的倍率性能和循环稳定性。因此,本文我们期望在阴离子为PF6—的铝-石墨双离子电池电解液中添加不同类型的阴离子,除了保留双离子电池的优点外,还能有效的提高其倍率性能和循环性能。BF4—相比PF6—离子半径较小,在石墨中的扩散系数较高,因此本文基于PF6—和BF4—混合电解液的策略,开发出一种新型铝-石墨三离子电池（AGTIB）。电解液中添加一定量BF4—,能够有效地减小长循环过程中石墨正极的体积膨胀,提高结构的稳定性,以及快速的离子扩散所带来的优异离子传输能力。本文BF4—添加比例分别是:5%,10%,15%,20%,电化学性能最优的阴离子掺杂比例是5%。该新型铝-石墨三离子电池表现出优异的离子扩散动力学和循环过程中石墨正极的体积膨胀极小。在15C时,可逆比容量高达90.5 mAh g-1（相比于2C容量保持率为92.5%）,表现出了良好的倍率性能,在5C电流密度下进行500次循环,容量几乎没有衰减,表现出极好的循环性能。这个结果表明简单的阴离子杂化策略在高性能储能装置的探索中具有广阔的应用前景。更多还原显示全部
摘要：锂离子电池在当今能源存储领域一直扮演着重要的角色,然而其存在正极价格昂贵、且含有重金属、负极石墨类材...锂离子电池在当今能源存储领域一直扮演着重要的角色,然而其存在正极价格昂贵、且含有重金属、负极石墨类材料比容量不高等问题,不能完全满足市场需求。因此,研发出能够代替锂离子电池的新型高效低成本电池体系是目前科学家关注的热点。铝-石墨双离子电池是一种新型储能器件,其正负极分别采用价格低廉的石墨和金属铝箔,电池结构简单,具有电池体积小、质量轻、物料及加工成本低、工作电压高、环保易回收等优势。但是由于铝箔负极在电化学循环过程中体积膨胀容易导致材料粉化、坍塌和剥落,最终导致双离子电池的倍率性能和循环稳定性能较差,难以实际应用。为解决上述问题,本文采用不同的结构调控方法对双离子电池的铝负极进行了改性及电化学性能研究,具体研究内容如下:（1）通过对铝箔进行电化学刻蚀及碳包覆处理,制备出了多孔铝/碳复合材料（pAl-C）。这种新型多孔铝箔/碳复合负极由于具有三维多孔导电网络,能有效缓解铝箔和锂离子合金化过程中产生的体积膨胀效应,并且能显著提高锂离子的迁移率,从而使电池具有快充快放的特点;而碳包覆层在缓解体积变化效应的同时还有助于形成稳定的固态电解质膜,从而进一步提升了电池的循环寿命。研究结果表明:以该材料为负极,石墨为正极,装配成全电池,在2 C倍率下循环1000次后,可逆容量保持在93 mAh g-1,具有89.4%的保持率。同时具有较好的倍率性能,pAl/C-G双离子电池在2,5,10,15和20 C的倍率下的放电比容量分别为104,103,102,95和85 mAh g-1,并表现出良好的可逆性。（2）通过碳包覆纳米铝的方法制备出了具有核壳结构的纳米铝@碳（nAl@C）负极材料。由于核壳纳米结构有效缓解了铝负极在合金化过程中产生的体积膨胀,并形成了稳定的SEI膜,使得该电池的循环稳定性大幅提升。研究结果表明,以该材料为负极材料,天然石墨作为正极材料,组装成全电池,该新型电池表现出优异的倍率性能和循环性能,在15 C充放电速率下（4分钟充放电）,循环1000次后放电比容量高达88 mAh g-1,容量保持率为94.6%。更多还原显示全部
摘要：锂离子电池由于其能量密度高、无记忆效应、自放电小等优点被广泛应用在便携式电子产品和电动汽车上。然而,...锂离子电池由于其能量密度高、无记忆效应、自放电小等优点被广泛应用在便携式电子产品和电动汽车上。然而,锂金属资源有限、价格居高不下、分布不均匀等问题导致锂离子电池难以实现在电网储能的大规模应用,而且随着科技的快速发展,锂离子电池的续航时间也愈发难以满足人们日益增长的需求,因此,开发新一代低成本、高效的电池储能装置势在必行。基于离子电化学嵌入与脱嵌工作机理的双离子电池应运而生,这种电池有望解决锂离子电池存在的能量密度低、续航里程短及制造成本高等问题。本论文以不掺杂任何金属元素的离子液体为电解质,探索适合此类电解质的完全可再生的电极材料,构建没有任何金属离子参与电化学反应的双离子电池,并对其电化学性能及储能机理进行系统的研究。主要研究内容如下:（1）以既具有氧化性又具有还原性的天然石墨作为正负极活性物质,与纯离子液体Pyr14TFSI构成新型的离子液体双石墨电池,利用电化学工作站和电化学测试系统对其进行电化学性能测试。实验结果表明,在1.0-4.6 V的电化学窗口下,当电流密度为50 mA g-1时,电池的放电比容量为49 mAh g-1,循环100次后表现出良好的循环稳定性。此外,Pyr14TFSI-DGB在循环过程中表现出高达3.7 V左右的放电平台。通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和扫描电子显微镜（SEM）等对充放电前后以及不同充放电状态下的正负极石墨进行表征,分析可知电解质中阴离子TFSI-和阳离子Pyr+14分别在石墨两极发生了可逆的嵌入/脱出反应,且在100次循环后表现出了良好的结构稳定性。（2）以晕苯作为Pyr14TFSI离子液体双离子电池的负极材料,与天然石墨正极材料构建了新型的晕苯/石墨双离子电池,并对其进行电化学性能测试。实验结果表明,通过对比不同充电截止电压下双离子电池的循环性能,确定4.4 V为最佳充电截止电压。电压范围为1.0-4.4 V,在3 C倍率下,电池的初始放电比容量可达74 mAh g-1,测试超过500个循环仍具有较高的放电比容量,并且经过100次循环后,容量保持率高达93%,表现出了优异循环稳定性。通过对不同充放电状态下的晕苯负极进行XRD和傅里叶红外光谱（FT-IR）表征,说明了晕苯负极可以嵌入大尺寸的Pyr14+阳离子来实现能量储存,并且表现出了良好的结构稳定性。更多还原显示全部
