论文总字数：22579字

摘 要

近年来，能源和环境问题日益严峻，新型储能技术的开发迫在眉睫。由于锂资源受限，钠离子电池因其资源丰富，成本低廉受到广泛关注。但其低能量和功率密度极大限制了其市场化进程，因而对其电极材料尤其是负极材料的开发尤为重要。

钠离子半径比锂大，缺少高效的钠离子电池负极导致其应用受限。其中硒化钴材料理论容量高，但在充放电过程中体积变化大，结构不稳定，循环性能较差。本文从提高材料导电性、增大比表面积和孔隙率、缓解充放电过程中体积膨胀出发，设计了通过利用水热法，制备碳材料与MOF衍生的过渡族金属化合物复合材料。该材料（CFC-C@CoSe₂）在表现出高比容量和好的循环稳定性，电池在0.5 A/g，50次循环后可提供846.8 mA h/g的高可逆容量。在2 A/g，100循环后仍可提供282.7 mA h/g的可逆容量。长循环后，电极的离子电子传输性能良好，证明了该复合材料具有比较优异的电化学性能。这为将来钠离子电池负极材料的开发提供了极强的借鉴意义。

关键词：钠离子电池 三维碳基硒化钴 水热法 硒化钴

Three-dimensional carbon-based cobalt selenide used in high-performance sodium ion batteries

Abstract

Recently, the development of new energy storage technologies is imminent. Due to limited lithium resources, sodium ion batteries have received widespread attention due to their rich resources and low cost. However, its low energy and power density greatly limit its marketization process, so the development of negative electrode materials is particularly important.

The radius of sodium ions is larger, and the lack of a high-efficiency negative electrode limits its application. Among them, the cobalt selenide material has a high theoretical capacity when applied to a sodium ion battery, but it is accompanied by considerable volume expansion during charging and discharging, which leads to structural instability and poor cycle performance. In this paper, starting from improving the electrical conductivity of the material, increasing the specific surface area and porosity, and alleviating the volume expansion, a composite material of transition metal compound derived from carbon material and MOF is prepared by using hydrothermal method. This material (CFC-C @ CoSe₂) exhibits high specific capacity and good cycle stability. The battery can provide a high reversible capacity of 846.8 mA h / g after 50 cycles at 0.5 A / g. At 2 A / g, it can still provide a reversible capacity of 282.7 mA h / g after 100 cycles. The electrode has good performance, proving that the composite material has excellent performance. Providing a reference for the development of anode materials.

Key words: sodium ion batteries; Three-dimensional carbon-based cobalt selenide; Hydrothermal method; cobalt selenide

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钠离子电池简介 1

1.2.1 钠离子电池工作原理 1

1.2.2 钠离子电池的结构 2

1.2.3 钠离子电池的优点 3

1.3 钠离子电池负极材料 3

1.3.1 碳基材料 4

1.3.2 钛基化合物 5

1.3.3 合金材料 5

1.3.4 金属化合物 6

1.3.5 有机化合物 6

1.4 研究目的与内容 7

第二章 实验研究方法 8

2.1 前言 8

2.2 主要实验试剂和设备 8

2.2.1 实验试剂 8

2.2.2 实验设备 9

2.3 材料的表征 9

2.3.1 XRD分析 9

2.3.2 场发射扫描电镜（FESEM） 10

2.4 电极片的制备及电池安装 10

2.4.1 纽扣电池的组装 10

2.5 电化学测试及分析 10

2.5.1 恒流充放电测试（GCD） 10

第三章 三维碳基硒化钴的制备表征及测试 12

3.1 引言 12

3.2 实验部分 12

3.2.1 CFC-MOF的制备 12

3.2.2 CFC-C@Co的制备 12

3.2.3 Na₂SeO₃的制备 12

3.2.4 CFC-C@CoSe₂的制备 13

3.3 实验结果与讨论 13

3.3.1 XRD结果分析 13

3.3.2 SEM结果分析 14

3.4 材料的电化学性能表征 17

3.4 本章小结 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致谢 25

绪论

1.1 引言

当下化石资源紧缺，环境污染严峻。可再生清洁能源近年来在国家的大力支持下得以蓬勃发展。相比化石燃料，这些能源优势显著。但是，清洁可再生能源存在固有缺陷，难被直接利用，要开发和利用这些新型能源，以锂/钠离子二次电池为代表的储能技术不可或缺。

自锂离子首次商业化以来，可再充电锂电池已成为成功且精密的储能设备。1991年，LIBs电池被开发出来。另外，近来，对先进能量存储技术的需求在世界范围内迅速增长，电网的大规模储能系统对于高效利用电能不可或缺。

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