层状材料FeOCl的制备及其储钠性能研究毕业论文

 2020-04-19 21:16:04

摘要

本文通过微波法及旋蒸法两种方法制备层状氯氧化铁（FeOCl），对其相结构、形貌进行表征，将其作为钠离子电池的正极，对其储钠性能进行电化学测试，并且利用非原位X射线衍射技术对其电化学储钠机理进行探究。结果表明，旋蒸法和微波法均可以制备出纯度高、结晶度好的FeOCl材料，相比于旋蒸法，微波法具有反应速度快、产率高的优势。FeOCl在电流密度为10 mA g^-1和50 mA g^-1下分别获得平均193 mAh g^-1和167 mAh g^-1的可逆比容量，但是其循环稳定性与倍率性能都很差，原因与FeOCl导电性差以及层状结构不稳定有关。FeOCl的电化学储钠过程为插层结合转化反应的多步反应。

关键词：钠离子电池正极材料 FeOCl 层状材料电化学性能

Preparation of Layered Material FeOCl and Its Sodium Storage Performance

Abstract

In this paper, layered iron oxychloride (FeOCl) was prepared by microwave heating method and rotary evaporation method. The morphology, structure and surface states of resultant material were characterized and the electrochemical properties of sodium storage were analyzed. The mechanism of electrochemical sodium storage was characterized by ex-situ XRD. The results show that FeOCl materials with high purity and good crystallinity can be prepared by microwave heating method and rotary evaporation method. Compared with the rotary evaporation method, the microwave method has the advantages of faster reaction speed and higher yield. When the current density is 10 mA g^-1 and 50 mA g^-1, the average reversible specific capacity of FeOCl is 193 mAh g^-1 and 167 mAh g^-1, respectively. However, its cycle stability and rate performance are poor, which is related to the poor conductivity of FeOCl and the instability of the layered structure. The sodium storage mechanism of FeOCl and Na is a combination of intercalation and conversion reaction.

Key Words: Sodium-ion battery; Cathode material; FeOCl; Electrochemical performance; Layered material

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钠离子电池概述 1

1.2.1 与锂离子电池的比较 1

1.2.2 钠离子电池原理 2

1.3 钠离子电池正极材料 3

1.3.1 层状金属氧化物 3

1.3.2 聚阴离子化合物 3

1.3.3 普鲁士蓝类材料 4

1.3.4 其他正极材料 4

1.4 氯氧化铁（FeOCl）简介 5

1.5 本课题研究内容及意义 6

第二章实验部分 7

2.1 实验药品和仪器 7

2.2 实验过程 8

2.2.1 层状FeOCl的制备 8

2.3 材料物相表征 9

2.3.1 X射线衍射分析 9

2.3.2 扫描电子显微分析 9

2.3.3 透射电子显微分析 9

2.4 电化学性能测试 9

2.4.1 电极片的制备 9

2.4.2 扣式电池的组装 10

2.4.3 循环伏安测试 10

2.4.4 恒流充放电测试 10

2.4.5 交流阻抗测试 10

第三章结果与讨论 11

3.1 物相表征结果 11

3.1.1 XRD测试分析 11

3.1.2 SEM及TEM测试分析 12

3.2 电化学性能测试结果 13

第四章结论 20

参考文献 21

致谢 23

第一章绪论

1.1 引言

传统的化石能源（例如，煤、石油、天然气等）储量正在日益减少，而且消耗化石能源对环境的影响也非常显著。因此，大力发展可再生清洁能源作为主要能源已经大势所趋。目前，风能、太阳能、潮汐能、地热能等都是可再生清洁能源，但是由于其随机性和间歇性，不能直接将其产生的电能直接输入电网，因此发展电力储能（Electrical Energy Storage，EES）系统是将间歇性可再生能源整合成恒定、可控制的电能输送的关键^[1]。

在众多的EES技术中，大致可以分为机械储能、电磁场储能、电化学储能三类，其中，电化学储能以其配置灵活、响应速度快、不受地理条件限制等优点，成为目前大规模储能技术的发展方向^[2]。铅酸电池的技术和相关产业的发展已经非常成熟，是目前电化学储能领域中应用规模最大的一类电池，但是铅酸电池存在循环寿命短，能量密度低，温度范围窄，充电速度慢，过充电容易放出气体等问题，再加上废弃的含铅制品严重污染环境，铅元素在人体内富集可导致血液病和脑病，限制了其后期的应用与发展^[3]。钠硫电池由于其工作温度高（350 ℃），集流体高温腐蚀等问题，为大规模储能应用带来挑战。液流电池以其高容量、高功率等优点，在短时间内得到了快速发展，但是受电解液、电极等关键材料的制约，储能成本高，商业化困难。

1.2 钠离子电池概述

1.2.1 与锂离子电池的比较

锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液构成，其充放电过程依靠Li在正负极之间迁移实现，是一种“摇椅式”电池，具有比能量高、放电电压高、自放电低、循环寿命长、充放电效率高、工作温度范围宽等优点，广泛应用于便携式电子设备以及航空航天领域，并且开始进入电动汽车和混合动力车市场^[4]。然而，锂离子电池在充电时，尤其是过充情况下，Li在负极表面沉积，极易产生锂枝晶，刺破隔膜使电池内短路，发生热失控，存在安全问题^[5]。而且由于锂在地壳中储量有限，分布不均且价格高昂，限制了锂离子电池的大规模应用。

相对于锂元素而言，钠元素在地壳中储量丰富，分布广泛，价格低廉，并且钠与锂属于同族元素，且周期相邻，物理化学性质非常相似，如表1.1所示^[6]。因此，基于钠电化学的可充电电池被认为是电网规模EES应用的有希望的替代品，其对电池的成本和可持续资源供应提出了特定要求。

表1-1 金属钠与金属锂的基本性质对比^[6]

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