摘要
随着人类生活对电子产品的需求剧增，锂离子电池已经成为电子产品的主要供电电源。与锂离子电池工作原理类似，钠离子电池具有与锂离子电池可比拟的能量密度和功率密度，但是钠元素在地球上丰富度高且价格低廉，有望成为下一代储能系统的主导者。 在各种钠离子电池负极材料中，金属钠负极由于其高的理论比容量（1166mA h g-1）和最低的电化学电势（相对于标准氢电极为?2.714V），被认为是最有潜力的负极材料。然而钠金属负极面临着巨大的挑战：在钠沉积/剥离的过程中表现出不均匀的沉积、无限的体积膨胀、枝晶问题以及不稳定的固体-电解质-界面（SEI）膜，严重地限制钠金属负极的发展。 为了解决枝晶问题，根据电沉积枝晶生长Sand’s时间公式，本课题提出了利用三维石墨烯泡沫/碳纳米管（3D GF/CNT）作为钠金属宿主，抑制钠枝晶，提高钠金属负极电化学性能。GF基底和原位生长的CNT增大集电器的比表面积，降低电流密度，从而诱导钠离子均匀沉积，有利于稳定SEI膜，同时丰富的多孔空间结构为钠金属的大体积变化提供了充足的空间。实验结果表明，利用电沉积得到的Na@GF/CNT钠金属负极，在4mA cm-2的大电流密度下，可以稳定循环超过450个循环。 为了将Na@GF/CNT负极应用于钠离子全电池中，本文采用Na3V2(PO4)2O2F（NVPOF）作为与之匹配的正极材料。NVPOF是一种钠离子超导体（NaSICON），具有较大的可逆容量（~130mA h g-1）和较高的平均放电电压（~3.8V相对于Na+/Na）。具体的研究内容和结果如下： （1）通过构建大比表面积的3D GF/CNT三维立体结构，降低电流密度，研究钠金属在其上沉积的电化学行为，包括沉积形貌演化，电化学性能测试。电化学测试表明，在4mA cm-2的大电流密度下，可以稳定循环超过450个循环。 （2）利用正负电荷相互吸引的方法将氧化石墨烯（GO）覆在NVPOF的表面，然后通过退火处理得到还原氧化石墨烯（rGO），制备NVPOF@rGO复合材料，并作为钠离子电池正极材料。重点研究钠离子在NVPOF@rGO复合材料中的存储行为和性能，特别是分析钠离子在NVPOF@rGO材料中的迁移速率。实验数据分析表明，rGO可以明显提高导电性，提高钠离子迁移速率。 （3）以Na@GF/CNT作为负极，NVPOF@rGO复合材料作为正极制备全电池，初步测试其电化学性能。
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