纳米材料制作、合成及其储能应用概述

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1、纳米材料制作、合成及其储能应用概述第1章绪论1.1引言现代社会最大的挑战之一就是如何满足日益增长的能源需求[1]。虽然在短时间内我们不会面临严重的能源危机，但是为了可持续发展必须需寻找可再生替代能源。目前世界范围内广泛关注的可再生能源主要包括太阳能、风能及潮汐能等[1-4]。这些可再生能源的特点是储量巨大、不污染环境及可重复利用。但是它们存在的一个主要缺陷是能量供应的不连续性。以太阳能为例，其能量的供应就受到昼夜影响，既晚上或阴天无法提供充足的能量。其它新能源供应也受到类似季节、地理纬度及海拔高度等自然因素的影响[5]。目前比较普

2、遍的解决方法是将这些不连续的能量储存起来以便随时取用。所以随着新能源技术发展，储能技术也受到越来越多的关注。储能方式主要分为两种：物理储能和化学储能。物理储能的方法主要包括超导储能、飞轮储能、蓄水储能及压缩空气储能等[6]。但这些方法大多存在能量利用率低、建设周期长及维修成本高等缺点。化学储能方法主要有二次电池储能、电化学电容器储能及分解水制氢等[2,7-9]。与物理储能相比，化学储能能量利用率高、建设周期短并且容易分散和集中，所以化学储能受到越来越多的关注[10]。在化学储能中，锂离子电池是近年来研究热点，因为它们是电动车动力电

3、源的首选。众所周知，化石燃料汽车在行驶过程中会排放大量有毒气体，严重污染环境。为了减少汽车尾气对环境的污染，电动汽车成为未来汽车的发展方向，受到全世界的广泛关注[11]。与传统的内燃机汽车相比，电动汽车具有零排放和噪音小等优点。电动汽车的能量转换效率高于内燃机汽车，并且可减少汽车对石油资源的依赖。但商业化的锂离子电池（主要是电极材料）不能满足电动汽车甚至是大规模储能的需要，所以现阶段锂离子电池主要研究目标之一是研发高容量、大倍率和长循环的电极材料[12]。1.2锂离子电池简介锂电池的发展可以追溯到上世纪50年代[13]。1958年

4、美国加州大学科研人员提出锂金属作为电池负极的设想后，人们才开始了对锂电池的研究。真正意义上的锂离子电池的研究始于1990年。日本的Nagoura等人用石油焦替代锂金属负极，并以钴酸锂作为电池的正极，这一研究也被誉为锂离子电池的工业化革命[14]。1991年日本索尼公司首先将锂离子电池商业化。自从锂离子电池商业化以来迅猛发展，目前已经在小型二次电池（例如和笔记本电脑用电池）中脱颖而出占据了绝大部分的份额。近年来人们对能源及环境危机日益关注，锂离子电池也向着大规模储能及电动汽车动力电源的方向发展。商业化的锂离子电池工作原理主要基于插层

5、反应，既在充放电过程中锂离子在正负极材料中来回嵌入脱出[15,16]，所以锂离子电池也被称为摇椅式电池。图1.1是锂离子电池工作原理示意图。电池正极一般用层状或尖晶石结构的氧化物，如钴酸锂、锰酸锂等，负极一般用石墨，电解液是溶解锂盐（如LiPF6、LiClO4等）的有机溶剂（主要有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等）。如图所示，充电时锂离子由正极脱出，经过电解液传导到达负极嵌入负极材料中，同时电子的补偿电荷则由外电路传导给负极。放电过程与充电过程相反，锂离子由负极脱出嵌入到正极中。通常情况下，锂离子的嵌入脱出只影响电极材料的晶格

6、间距变化，并不破坏其晶体结构。因此，锂离子电池的可逆性很好，基本没有记忆效应。..第2章基本实验器材及表征方法2.1主要化学试剂2.2实验仪器第3章表面原位均匀包覆导电聚合物的3DOM-FeF3........313.1引言.........313.2实验方法........323.3结果与讨论....333.4结论.........43第4章设计合成三维大孔石墨烯-Fe3O4.......454.1引言.........454.2实验方法........464.3结果与讨论....474.4结论.........54第5章设计合

7、成GeO2-RGO超薄片状复合材料........555.1引言.........555.2实验方法........565.3结果与讨论....565.4结论.........64第6章原位电化学方法制备FeF3-Fe-RGO复合材料作为高性能钠离子电池正极材料6.1引言锂离子电池距离大规模商业化目标已经越来越近。然而地球上锂的储量并不丰富，并且分布也不均匀。一旦锂离子电池大规模使用，锂资源远不能满足需求。基于以上考虑，人们逐渐把目光转向钠离子电池。钠离子与锂离子化学性质相似，所以钠离子电池与锂离子电池在本质上是相同的[93,17

8、5,176]。但是由于钠离子半径是锂离子的1.5倍左右，导致钠离子在电极材料中嵌入脱出更加困难。所以钠离子电极材料性能普遍较差。因此，研发高性能的钠离子电池电极材料已经成为钠离子电池研究的主要方向。金属氟化物作为一种重要的无机功能材料被广泛应用于各