论文总字数：19629字

摘 要

碱金属（例如Li、Na和K）由于重量轻、比容量大、氧化还原电势低，已被广泛用作充电二次电池的阳极（例如锂-硫电池，钠-金属卤化物电池，钾-氧电池和钾离子电池），用来优化并实现大能量密度和高工作电压的性能。

常规的电池采用固态电极和液态电解质，这就使固体碱金属阳极的实际应用受到几个严重问题的阻碍。一方面，碱金属非常活泼，容易与有机电解质发生反应，形成固体电解质界面（SEI）和产生大量的体积变化，这将消耗活性碱金属并减少库仑效率和容量。另一方面，固体碱金属阳极在充电过程中会形成树枝状晶体，枝晶会在电解液中扩散到阴极，导致内部短路和爆炸危险。上述问题可以通过液态金属电池（LMB）解决，与固态金属不同，液态金属由于具有流动性，可以彻底消除枝晶生长，并提供比固态金属更均匀的电极-电解质界面。

本文以硫化聚丙烯腈（SPAN）作为正极材料，围绕钠钾合金在金属硫电池中的应用，基于前人对SPAN作为正极的锂硫电池、钾硫电池、钠硫电池的性能研究，对比分析各种以硫化聚丙烯腈作为正极材料的碱金属-硫电池的电化学性能。

关键词：钠钾合金 锂硫电池 钾硫电池 钠硫电池 硫化聚丙烯腈

Application of sodium potassium alloy in metal sulfur battery

Abstract

Alkali metals (such as Li, Na, and K) have been widely used as anodes for rechargeable secondary batteries (such as lithium-sulfur batteries, sodium-metal halide batteries, and potassium-) due to their light weight, large specific capacity, and low redox potential. Oxygen battery and potassium ion battery), used to optimize and achieve the performance of large energy density and high working voltage.

Conventional batteries use solid electrodes and liquid electrolytes, which makes the practical application of solid alkali metal anodes hindered by several serious problems. On the other hand, the solid alkali metal anode will form dendrites during the charging process, and the dendrites will diffuse into the cathode in the electrolyte, resulting in an internal short circuit and danger of explosion. The above problems can be solved by liquid metal batteries (LMB). Unlike solid metals, liquid metals can completely eliminate dendrite growth due to their fluidity and provide a more uniform electrode-electrolyte interface than solid metals.

In this paper, sulfide polyacrylonitrile (SPAN) is used as the positive electrode material, and the application of sodium-potassium alloys in metal-sulfur batteries is based on the previous research on the performance of lithium-sulfur batteries, potassium-sulfur batteries, and sodium-sulfur batteries with SPAN as positive electrodes. The electrochemical performance of various alkali metal-sulfur batteries with sulfided polyacrylonitrile as the cathode material.

Key Words: Sodium potassium alloy；Lithium-sulfur battery；Potassium-sulfur battery；Sodium-sulfur battery；Polyacrylonitrile/sulfur nanocomposite

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2锂硫电池研究现状 2

1.2.1 多孔碳填充硫制备硫碳复合材料 2

1.3钾硫电池研究现状 2

1.3.1 硫化聚丙烯腈（SPAN） 3

1.4钠硫电池研究现状 3

1.4.1 碳化的聚丙烯腈硫（c-PANS）复合材料 4

1.4.2 人造金属合金钠阳极界面（MAI） 4

1.4.3 VC-CNFs@S自立电极 5

1.5钠钾合金阳极研究现状 5

1.5.1 无枝晶自愈合K₂O@Na-K液态合金 6

1.5.2 室温真空渗透法实现液态Na-K膜阳极 6

1.5.3 CM@Na-K膜 6

1.6本文的选题依据和主要内容 7

第二章 实验材料与研究方法 8

2.1 实验试剂 8

2.2 实验仪器 8

2.3 实验部分 9

2.3.1硫化聚丙烯腈复合材料的制备 9

2.3.2极片的制备 9

2.3.3电池的组装 10

2.4 电化学测试 10

2.4.1循环伏安测试 10

2.4.2恒流充放电测试 10

第三章 钠钾合金在金属硫电池中的电化学性能研究 11

3.1 循环伏安曲线 11

3.2 循环性能 12

3.3 充放电曲线 13

3.4 倍率性能 14

3.5 极化曲线 16

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 绪论

引言

化石燃料是人类必不可少的能源，世界政治经济的繁荣和快速发展，带来了人们对能源的巨大依赖和需求。但是，化石燃料的不可持续再生和化石燃料的大量利用给人类带来了严重的环境污染问题。因此，可再生的太阳能、水能和风能等清洁能源是进一步解决人类能源问题和环境污染问题的有效手段。然而，这些清洁能源的利用都具有一定的区域局限性和间歇性特征，因此可再生能源的高效利用和储能技术的高效应用是进一步发展清洁能源的技术关键。在各种类型的储能系统中，充电电池是最有前途的储能装置之一。锂离子电池由于其重量轻、开路电压高、容量大、无记忆效应，自20世纪90年代以来被索尼公司商业化，并在便携式电子设备市场上占据主导地位。虽然其阴极和阳极材料的性能经过二十年的发展已经达到了理论极限，但仍然不能满足能量输出的要求。因此，迫切需要寻找具有较高能量密度和优异电化学性能的新型阴极和阳极材料。^[1]

在过去的几十年中，由于能量密度大、工作电压高、重量轻，碱金属（例如Li，Na和K）被广泛研究为二次电池的负极（例如锂-硫电池，钠-金属卤化物电池，钾-氧电池和钾离子电池）。然而，碱金属阳极的实际应用受到几个问题的严重阻碍。一方面，碱金属非常活泼，不可避免地会与有机电解质发生反应，形成固体电解质界面（SEI）。这将消耗活性碱金属并降低库仑效率。另一方面，碱金属枝晶容易产生，容易刺破隔膜，导致短路和安全问题。为了解决这些问题，首先想到的是引入固态电解质在碱金属上，但由于固态之间存在巨大的界面电阻，大大降低了它们的电化学性能。另一种策略是利用无枝晶的液态碱金属阳极，原因是在液态碱金属和液态有机电解质的界面之间不会产生枝晶。但尽管熔融碱金属电池（例如锂电池，β-氧化铝钠电池，和钠金属卤化物电池）取得了巨大进步，但在恶劣的工作条件下，尤其是在300°C以上的高工作温度和快速腐蚀速率，昂贵的维护成本以及与之相关的安全问题，严重限制了它们的大规模应用。^[2]

1.2锂硫电池研究现状

LSB的工作原理是S₈ 16Li =8Li₂S。与其他正极材料相比，硫电极能量密度高，电化学性能好，价格便宜，无毒，自然丰富且对环境无害。^[3]

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