摘 要

如今全世界对于高科技产品的需求量越来越庞大，对于资源的消耗速度已经远远超出预期。以往大量应用的锂离子电池，现在也即将面临锂资源匮乏的问题。人们急需开发出新的储能材料来降低对锂资源的过度开发，钠离子电池就是其中一个不错的选择。在考虑成本、环境和取材难易度的前提下，本实验采用了生物质原料梧桐叶来制作钠离子电池的负极材料，经过碳化、活化等一系列手段，运用XRD、EDS、FTIR等测试方法对样品的形貌结构进行分析，又通过恒电流充放电等方法对电池的电化学性能进行测试，发现在700℃下以2：1的碱碳比例活化2h的样品制作的钠离子电池性能最优，证明了以梧桐叶为原料制备的碳材料运用于钠离子电池，起到了不错的效果。未来，生物质碳有望在钠电池领域大放异彩。

关键词：生物质 梧桐叶 碳 钠离子电池 负极材料

Study on Carbonization of Sycamore Leaves as Negative Electrode of Sodium Ion Battery

Abstract

Nowadays, the demand for high-tech products in the world is increasing and the consumption rate of resources has far exceeded expectations. Lithium-ion batteries, which have been widely used in the past, are now facing the problem of lack of lithium resources. People urgently need to develop new energy storage materials to reduce over-exploitation of lithium resources, and sodium-ion batteries are a good choice. Under the premise of considering the cost, environment, and ease of material acquisition, this experiment adopted the biomass material(phoenix tree leaves) to make the negative electrode material of sodium ion batteries. After a series of means such as XRD, EDS, and FTIR were used, the morphological structure of the sample was analyzed, and the electrochemical performance of the battery was tested by constent current charge-discharge tests. It was found that the performance of the sodium-ion battery fabricated at a temperature of 700° C. with a 2:1 alkali carbon ratio for 2 hours was the best， it also proved that the use of carbon materials prepared from phoenix tree leaves as a raw material was applied to sodium-ion batteries, which had a good effect. In the future, biomass carbon is expected to shine in the field of sodium batteries.

Keyword: biomass; phoenix tree leaves; carbon; sodium ion battery; negative electrode material

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 钠离子电池（SIBS）研究背景 1

1.2 钠离子电池的特点 2

1.3 SIBs负极材料研究现状 2

1.3.1 SIBs负极材料的特征 2

1.3.2 钛基负极材料 3

1.3.3 磷基负极材料 3

1.3.4 钠合金负极材料 3

1.3.5 碳基负极材料 4

1.4 生物质碳的研究进展 6

1.4.1 生物质简介 6

1.4.2 生物质碳材料简介 6

1.4.3 生物质碳材料的制备方法 7

1.4.4 生物质碳材料在SIBS中应用的研究进展 8

1.5 本论文的立题依据和研究内容 9

第二章 实验部分 11

2.1 实验试剂和仪器 11

2.2 样品的制备 11

2.3 样品的表征 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 EDS 图谱元素分析 13

3.2 X 射线的衍射分析 14

3.3 拉曼光谱分析 15

3.4 傅里叶红外光谱分析 17

3.5 样品的形貌分析 18

3.6 样品的比表面积分析 19

第四章 电化学性能测试 20

4.1循环放电分析 20

第五章 结论与展望 22

5.2 研究展望 22

参考文献 24

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 钠离子电池研究背景

如今各领域的科技水平发展得十分迅速，包括小型电动工具、电子设备等。为了满足人们对高科技产品的需求，当务之急就是开发出更高能效、不污染环境且能大量应用的储能材料。只通过电池的充放电倍率以及能量密度来定义电池材料的性能好坏是不够的，所耗费的成本、是否会产生环境问题以及回收利用的情况好坏同样是重要的衡量电池材料好坏的标准。当下，发展前景最为优越的锂离子电池的高能电池体系随着各种产业对其产生的越来越高的依赖度，锂资源即将面对最为致命的资源短缺的问题。研究并开发钠离子电池可以帮助缓解由于缺乏资源而出现的电池的发展受到阻碍的问题。如果能够开发出拥有优越性能的材料，相比于锂离子电池，钠离子电池将会占据竞争的优势，可能会取代相当一部分的锂电池市场。很多的研究报告指出，相比于锂离子电池，钠电池拥有3个优点：①原料多，分布广，成本低；②更高的半电池电势，约高0.4V，在选择电解质时限制更少 ^[1]；③电化学性能更优。地球中蕴藏着的钠的量极高，大约领先于锂5个数量级左右。钠资源的丰富度带来的最直接的优势就是更低的成本，并且由于钠和锂属于同主族元素，其嵌入机理十分相像，所以在两种不同的体系里使用类似的化合物当作电极材料也同样是可能实现的。虽然如此，钠离子电池自身也有一定局限性，比如钠的相对原子质量太大，远远超出了锂，使得理论上钠离子电池的比容量比锂电池小，可能不足其一半；钠离子过大的半径导致钠离子的嵌入会有很高的难度^[2]。

近年，世界上有越来越多的研究者开始关注钠离子电池的发展，但是相比锂离子电池，钠电池的研究成果还比较少。钠离子电池体系的研究重点在于寻找到性能优良的正负极电极材料并开发出能够匹配电极材料的电解质溶液。受到锂离子电池成功的影响，如今大部分的研究都把重点放在开发钠离子电池的正极材料上，其中常见的正极材料主要是以下几种：锰、钴氧化物^[3-7]､磷酸盐^[8-12]､NASICON结构化合物^[13-15]等等。Palomares等^[16]和吴郑军等^[17]分别对钠离子正极材料进行了详尽的介绍｡但是需要说明的是，这些综述对于钠离子负极材料的介绍大多都一笔带过，但研究者们对负极材料的开发也在不断地深入，不仅多了许多新的体系，在性能方面也有一定的突破。所以，将众多的负极材料的研究进行系统分析也是有必要的。

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