【摘 要】
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目前,锂离子电池（LIBs）在我们生活中扮演着重要的角色,主导着便携式电子市场和电动汽车市场。但是由于其成本高、容量有限难以满足大规模储能应用的需求,因此需要开发低成本、高能量密度的二次电池。钠离子电池因为成本低而被视为下一代电池中最有潜力的候选者。在众多材料中,富钠层状氧化物因其阴离子会发生氧化还原反应,可以为电池提供更多的容量而受到广泛关注。而阐明电极材料阴离子氧化还原的可逆性和循环性对其实际
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目前,锂离子电池（LIBs）在我们生活中扮演着重要的角色,主导着便携式电子市场和电动汽车市场。但是由于其成本高、容量有限难以满足大规模储能应用的需求,因此需要开发低成本、高能量密度的二次电池。钠离子电池因为成本低而被视为下一代电池中最有潜力的候选者。在众多材料中,富钠层状氧化物因其阴离子会发生氧化还原反应,可以为电池提供更多的容量而受到广泛关注。而阐明电极材料阴离子氧化还原的可逆性和循环性对其实际应用是非常重要的。因此本文利用同步辐射技术对一种富钠层状氧化物的阴离子氧化还原进行了定量表征。锂硫（Li-S）电池因能量密度高、资源丰富也引起了人们的极大关注。然而,中间产物多硫化物的高度溶解会造成穿梭效应,从而导致Li-S电池容量衰退快、能量效率低。利用催化材料加速多硫化物氧化还原转化动力学是抑制穿梭效应的有效途径。因此本文利用双金属-有机框架热解策略制备了金属基复合材料,并将其用于改性Li-S电池隔膜。同时还对其结构、形貌、对多硫化物的吸附作用、催化作用和相关的电化学性能进行了探究。具体研究内容如下:（1）利用同步辐射X射线吸收谱（XAS）和共振非弹性X射线散射全谱图（mRIXS）对富钠层状氧化物Na3RuO4的电荷补偿机制进行了全面的研究。发现在Na3RuO4中阴、阳离子都参与了电荷补偿,为电池的容量提供了贡献。并利用mRIXS直接证明了氧的氧化还原在循环过程中是可逆存在的,同时定量分析了氧的氧化还原在多圈循环后的保持率,发现其循环保持率是持续下降的,经过30圈循环后仅为36%,而这正是Na3RuO4容量衰退的主要原因。（2）通过类普鲁士蓝热解法成功地制备了具有催化活性的纳米颗粒（FeNi3@C）,并将其用于改性Li-S电池隔膜。FeNi3@C不仅提供足够的化学吸附位点去锚定多硫化物,同时也作为电催化剂来加速多硫化物氧化还原转化,从而有效地抑制多硫化物的穿梭。因此FeNi3@C改性隔膜组装的电池显示出了较高的硫利用率,在0.5 C倍率下初始放电比容量为934.6 mAh g-1。同时也显示出了优秀的循环稳定性（在1 C倍率下循环500圈,每圈容量衰退率仅为0.08%）。（3）合成了 N掺杂碳层包覆的CoFe合金（CoFeCN@C）纳米颗粒,并用于修饰Li-S电池隔膜。在这种复合结构中,N掺杂碳层为离子/电子传输提供了丰富的路径,CoFe合金为多硫化物提供了大量的吸附位点和催化位点,因此可以有效地抑制穿梭效应。另外利用硬X射线吸收谱证实了 CoFeCN@C在循环过程中的结构稳定性。因此CoFeCN@C改性隔膜电池在载硫量高达8.5mgcm-2时,150圈循环后仍展示出6.2 mAh cm-2的高面容量,证明其在高能量密度Li-S电池领域具有巨大的应用潜力。
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