【摘 要】
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随着煤、石油等化石能源的不断枯竭以及电动汽车和便携式电子设备的不断发展,开发环境友好、能量密度/功率密度高以及循环稳定性好的电化学储能体系变得十分重要。除了超级电容器(SCs)和锂离子电池(LIBs)之外,锂离子电容器(LICs)以及锂基双离子电池(Li-DIBs)等新型电化学储能器件的研究也取得了长足的进步。锂离子电池、锂离子电容器和双离子电池这三类器件的主要区别在于其正极不同的储能机理,导致它
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随着煤、石油等化石能源的不断枯竭以及电动汽车和便携式电子设备的不断发展,开发环境友好、能量密度/功率密度高以及循环稳定性好的电化学储能体系变得十分重要。除了超级电容器(SCs)和锂离子电池(LIBs)之外,锂离子电容器(LICs)以及锂基双离子电池(Li-DIBs)等新型电化学储能器件的研究也取得了长足的进步。锂离子电池、锂离子电容器和双离子电池这三类器件的主要区别在于其正极不同的储能机理,导致它们在能量密度、功率密度以及循环寿命上表现出不同的特点。但这三种储能器件的负极均为电池型负极,储能机制都是一样的。目前,石墨作为研究最广泛并且已经实现商业化的负极材料依然存在很多问题。比如,作为嵌入型材料,其本身作为嵌锂的活性位点十分有限,Li+在体相中的扩散速率缓慢,Li+嵌入脱出导致的体积膨胀等问题限制了其进一步应用于新型储能器件当中。因此,开发具有快速动力学特征的赝电容型负极来提升其比容量和倍率性能是构建高性能电化学储能器件的关键。本文通过水热法合成了两种具有明显赝电容特征的过渡金属钙钛矿氧化物负极材料,并将其应用于锂离子电容器、锂离子电池和双离子电池等储能器件中,并通过电化学测试和XRD、XPS等手段研究了它们的动力学行为和储能机制。主要内容如下:(1)通过水热法制备了过渡金属钙钛矿氧化物Na Nb O3(NNO)负极,利用XRD、TEM以及SEM对钙钛矿NNO材料的微观物理性质进行了表征。通过对NNO为工作电极的半电池进行CV和GCD测试,并且对不同锂化状态的电极片进行非原位XRD和XPS的表征,证明了该电极为赝电容控制的嵌入型储锂机制。以钙钛矿NNO为负极,石墨(KS6)为正极构建的锂基双离子电池(Li-DIBs)在广泛的温度范围内表现出优良的电化学性能。该项研究工作对于开发具有赝电容动力学特征的嵌入型负极材料和发展先进的双离子电池具有非常重要的意义。(2)通过水热法合成了高振实密度的过渡金属钙钛矿氧化物Na Ta O3(NTO)负极,利用XRD、TEM以及SEM对钙钛矿NTO材料的微观物理性质进行表征;并通过对NNO为工作电极的半电池进行CV和GCD测试,结合对不同锂化状态的电极片的非原位XRD和XPS结果,证明了该材料为赝电容控制的嵌入/转换混合型储锂机制;以NTO为负极,活性炭(AC)、磷酸铁锂(LFP)和石墨(KS6)分别为正极构建的锂离子电容器(LICs)、锂离子电池(LIBs)和锂基双离子电池(Li-DIBs)展现出了优异的电化学性能,为开发新型的赝电容特征的嵌入/转换混合型储锂机制的负极材料和新型锂基储能器件提供了新的见解。
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