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可充镁电池硒基正极材料的研究

【摘要】:以金属镁作为负极的可充镁电池具有价格低廉、体积能量密度高、环境友好以及安全隐患低等特点,因此有望成为替代锂电池的有力候选者之一。然而,由于二价镁离子的电荷密度高、半径小、溶剂化作用严重,导致其在材料中的固相扩散速率慢,因此当前适合镁可逆嵌入脱出的正极材料有限。基于转化和置换反应机理的正极材料,可以不通过嵌入机制实现与镁离子的可逆反应,是当前研究的另一方向。其中,硒正极具有和硫相近的体积能量密度和更高的电导率,具有一定的发展前景。本文工作围绕硒基正极材料开展,分别研究了基于置换反应的硒化亚铜正极和转化反应的硒化聚丙烯腈正极在可充镁电池体系中的电化学性能和充放电机理。(1)本文同时使用水热和溶剂热两种方法合成了相同晶型不同形貌的Cu_2Se正极材料,并首次探究了它在以Li盐为添加剂的二代电解液0.4mol L~(-1)(PhMgCl)_2-AlCl_3/THF中的电化学性能和充放电反应机理。此外,还通过复合石墨烯进一步提高Cu_2Se正极的循环稳定性和倍率性能。(2)本文设计制备了硒化聚丙烯腈,通过优化反应条件得到了Se/PAN复合材料,并首次报道了其作为正极在添加了LiCl的典型镁电池亲核性电解液(PhMgCl)_2-AlCl_3/THF中的可行性。由于Se/PAN复合材料的特殊结构,硒和电解液间的反应以及充放电过程中的穿梭效应都被有效抑制,得到的电池具有较高的比容量,出色的循环性能以及优异的倍率性能。此外,本文还研究了Se/PAN正极和不同电解液间的界面性质以及其对电化学性能的影响。

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