论文总字数：21527字

摘 要

对于负极材料来说，现在钠离子电池一般使用的都是碳基材料。科学家研究发现TMDs材料也具有层状结构，类似于石墨烯材料，TMDs材料层与层之间是通过范德华力连接的，层间距足以容纳钠离子脱出与嵌入。VSe₂就是一种典型的TMDs材料，而且VSe2具有天然地金属性。本文通过水热合成法制备VSe₂材料，对其进行X射线衍射物相分析、扫描电子显微镜形貌分析、X射线光电子能谱分析和电化学性能测试。结果表明我们成功合成了纯相VSe₂，电化学性能测试发现制备的电极材料电化学性能不是很理想，在0.5A/g的电流密度下，首次放电达到270 mAh/g，但是在20圈后，电池容量急剧下降。在长循环过程中VSe₂结构发生坍塌，这是导致电化学性能差的主要原因，因此极片的结构还需要优化。

关键词：钠离子电池 负极材料 VSe₂

Making the VSe₂ electrode and research of the electrochemical properties of it

Abstract

A sodium based battery with a carbon based material is commonly used as the cathode material. Scientists have discovered that TMDs has a layered structure similar to graphene materials. The TMDs is connected by a van der Waals force layer, and the distance between the layers is sufficient to extract and inject sodium ions. VSe₂ is a typical TMDs material, while VSe₂ is naturally made of metal. The VSe₂ material was prepared by hydrothermal synthesis and analyzed by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and electrochemical tests. The results showed that the pure VSe₂ phase was successfully synthesized and that the electrochemical characteristics of the resulting electrode material were not very satisfactory. At a current density of 0.5A/g, the first discharge reached 270 mAh/g, but the battery capacity dropped significantly. The VSe₂ structure is the main reason for the decrease in electrochemical characteristics due to collapse during a long cycle. Therefore, the structure of the pole piece must be optimized.

Key words: sodium-ion battery,negative materials,VSe₂

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电化学储能技术 2

1.2.1 锂离子电池 3

1.3 钠离子电池 6

1.3.1 钠离子电池与锂离子电池比较 6

1.3.2 钠离子二次电池组成结构 7

1.3.3钠离子电池工作机理 8

1.4钠离子电池电极材料 9

1.4.1 钠离子电池电极材料简述 9

1.4.2 钠离子电池正极材料 9

1.4.3钠离子电池负极材料 10

1.5 VSe₂材料 10

1.6 本文研究目的及内容 11

第二章 实验部分 13

2.1 实验药品 13

2.2 实验仪器 13

2.3 实验流程 15

2.4 实验表征方法 15

2.4.1 X射线衍射物相分析（XRD） 16

2.4.2 扫描电子显微镜形貌分析（SEM） 16

2.4.3 X射线光电子能谱分析（XPS） 16

2.4.4 恒流充放电测试 16

2.4.5 倍率性能测试 17

2.4.6 长循环测试 17

第三章 性能表征 17

3.1 物相分析 17

3.2 形貌分析 18

3.3 X射线能谱衍射分析 20

3.4 电化学性能分析 20

3.4.1 恒流充放电分析 20

3.4.2 倍率性能 21

3.4.3 长循环测试 21

第四章 结论与展望 23

4.1 实验结论 23

4.2 实验展望 23

参考文献 24

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

全人类璀璨绚烂的文明如一座雄伟的高楼大厦，而这座大厦的地基就是能源的利用。每一次能源技术的进步或者说是革命，都是使人类迈向更高的台阶的基础。比如，对于煤炭这种古老化石能源的大规模化地开采与使用就为第一次工业革命的爆发与在全球范围内地推进提供了可靠的燃料来源，依靠煤炭驱动的蒸汽机使得人类社会第一次运用了非畜力，燃烧煤炭的火车发出滚滚浓烟，带领着全人类向前飞驰。而对石油这种与煤炭形成方式类似化石能源的采掘和电力作为一种更加安全可靠的能源在全世界范围内的广泛运用则开启了第二次工业革命，内燃机驱动的汽车在全世界各地奔驰，而电力则在各地展现它巨大的威力。这两种能源伴随了整个第二次工业革命全过程。随着社会经济的高速发展与人类需求的迅猛增加，人类对能源的依存度越来越高，人类总体的能源消耗量达到空前规模，人类对于能源的品质也达到一个新的高度。目前人们在能源的选择方面使用最多的是化石能源，典型的如石油、煤、天然气等。随着蕴含在地壳中的大量化石能源被人类进行大规模开采与使用，地球上的化石能源资源日趋枯竭（根据已有数据，被人类探明的石油储量只能再支撑七十余年，煤炭资源则能供人类运用一百余年），化石燃料的价格也日益攀升。除此之外，化石能源在燃烧时会产生粉尘、一氧化碳、二氧化硫等污染环境的物质，造成严重的环境污染，人类社会赖以存在的自然环境受到破坏，严重危害人们的身体健康，某些情况下甚至危及生命；工业和居民在使用化石能源时，化石能源中的碳与氧气发生化学反应，产生CO₂。烧得越多，产生的CO₂越多。所以生产生活必然会产生巨量的CO₂，而CO₂已经被研究人员证明是一种温室气体。温室气体将会导致地球变得气温升高，这就是化石燃料导致温室效应的分析，所以煤、石油、天然气等也是公认地造成全球气候变暖的元凶。随着全球气候变暖，极端气候事件的发生也变得越来越频繁。为应对化石能源的枯竭、严重的环境污染和温室效应，全球人类正联合起来推动可再生清洁能源的大规模发展以应对以上问题并试图凭此实现人类社会可持续发展的目标。可再生清洁能源具有储量大，环境友好无污染等优点。但一些典型的可再生清洁能源如风能、太阳能、潮汐能、地热能等均具有随机性、间歇性等特点，如果将其所产生的电能直接输入电网，会对电网产生很大的冲击。在这种形势下，高效便捷的储能技术便成为世界各国的研究重点[1]。储能技术不仅应用于风能和太阳能等可再生能源并网和分布式储能，还可用于电网削峰填谷、调频服务和改善电力质量等方面，与此同时储能技术也是进行智能电网的设计、开发、建设、运行和后续维护全流程不可或缺的一项关键性技术[2,3]。就储能技术这一领域而言，其大约可以分为四大类，四大类分别为机械储能技术、电化学储能技术、电磁储能技术和相变储能技术[4]，其中使用物理中的机械方式进行储能的技术和使用化学方式来搞能量储备技术这两种是运用的最为广泛的，优势研究的最为透彻的两种技术。比较常见的抽水蓄能电站就是机械储能技术的一种运用。而电化学储能技术——常被大家认知的电池就是电化学储能技术的一种，是储能技术其中的一个重要分支，发展比较迅猛。和其他的储能方式相比, 要运用电化学储能技术，一般来说，需要的投资规模相对比较小、能量利用效率相当高、能够运用这一技术的场景丰富多样、安全性方面也很值得人们信任。随着经济的迅猛发展，工业界比如新能源汽车产业和无人机产业以及电子工业都对电化学储能技术展现出日益庞大的需求。无疑电化学储能技术是最适合21世纪地球人类对于储备和运用能源方面的要求的[5]。

随着人类社会经济的快速发展，工业界对于电化学储能技术提出了更高的要求。比如，电子工业尤其是其中的便携式电子设备产业如智能手机产业、数码相机产业、平板电脑产业、笔记本电脑产业等，以美国特斯拉公司为首的新能源汽车（包括混合电动汽车和电动汽车）产业的蓬勃发展与以中国大疆公司为首的无人机产业均对于电化学储能技术提出了更高的要求，与此同时也表达了对于电化学储能技术的更多需求。社会经济发展的需要和产业资本的驱动使得电化学储能技术成为目前全球能源领域学术界和工业界研究的重点与热门方向。

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