石墨电极存储六氟磷酸根阴离子的相关研究

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双石墨电池作为一种高效的储能器件,因具有可观的能量密度、廉价、环境友好性等诸多突出的优点而受到广泛关注。阴离子嵌入石墨正极是双石墨电池的重要组成部分,近年来的研究热度很高,应用于新型储能器件如活性炭/石墨电容器、金属/石墨型双离子电池等。在之前的工作中,本实验组发现溶剂对阴离子嵌入石墨过程有很大的影响。为了进一步揭示其中的微观机理,开展了以下几部分工作:  1、通过测试1摩尔每升(M)LiPF6-环丁砜(SL)/碳酸甲乙酯(EMC)电解液体系中Li/石墨电池的充放电性能,发现SL抑制PF6-嵌入石墨的行为,而EMC却促进PF6-在SL-基电解液中的嵌入。利用循环伏安曲线、电化学阻抗谱、拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)对PF6-嵌入过程的表征以及红外光谱(IR)和核磁共振(NMR)对电解液中PF6-溶剂化的分析,得出的结论是SL与PF6-之间存在着很强的溶剂化作用,EMC的加入增强了PF6-和Li+之间的相互吸引作用,从而减弱了PF6-和SL之间的作用力,使溶剂化的PF6-构型易于嵌入石墨层。  2、通过测试1M LiPF6-碳酸乙烯酯(EC)/EMC电解液体系中Li/石墨电池的充放电性能,发现EMC能促进PF6-在EC-基电解液中的嵌入。利用循环伏安曲线、电化学阻抗谱、Raman和XRD对PF6-嵌入过程的表征以及IR和NMR对电解液中PF6-溶剂化的分析,得出的结论是EC与PF6-之间存在着氢键作用,溶剂化后的构型不利于嵌入石墨层,EMC的加入减弱了PF6-和EC之间的氢键作用,使溶剂化的PF6-构型易于嵌入石墨层。  3、通过测试1M LiPF6-碳酸丙烯酯(PC)/EMC电解液体系中Li/石墨电池的充放电性能,发现EMC能促进PF6-在PC-基电解液中嵌入石墨电极。利用循环伏安曲线、电化学阻抗谱、Raman和XRD对PF6嵌入石墨电极过程的表征以及IR和NMR对电解液中PF6-溶剂化的分析,得出的结论是PC与PF6-之间存在着氢键作用,EMC的加入减弱了PF6-和PC之间的氢键作用,PF6-与链状EMC分子溶剂化的构型比与环状PC溶剂化的构型更利于嵌入石墨层中,因此共嵌入优先选择EMC,而PC溶剂化的PF6-嵌入时则必须部分或全部去溶剂化,需要更高的过电势。  4、Li/石墨电池在LiPF6-丙酸甲酯(MP)电解液体系中表现出很高的放电容量、良好的循环性能和低温性能,浓度的增加能促进PF6-在MP-基电解液中嵌入石墨的容量。循环伏安曲线证实了PF6-在高浓度电解液中嵌入石墨的过电势降低。Raman和XRD的结果表明,石墨电极转化为1阶石墨层间化合物(GICs),PF6-在MP中嵌入石墨层中时溶剂分子会一起嵌入。通过对电解液IR和NMR的分析,结合电化学性能的表现,得出结论为在高浓度的MP-基电解液中,PF6-与链状MP分子之间形成更多氢键,使得PF6-与MP溶剂化的构型更利于嵌入石墨层中。
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