锰镍基层状氧化物钠离子电池正极材料的制备及改性研究

发布时间：2020-04-17 02:14

【摘要】：由于钠离子电池高安全性和低成本的独特优势,随着对大规模储能系统需求的不断增长,锂离子电池将在大规模储能领域被钠离子电池所取代。然而,短的循环寿命和差的倍率性能限制了钠离子电池未来的商业应用。在钠离子电池的组成中,正极材料被认为是钠离子电池至关重要的组成部分,对钠离子电池的电化学性能具有相当重要的影响。而在众多正极材料中,锰镍基层状氧化物由于高工作电压和高容量受到了广泛关注。然而,空气中的不稳定性和不令人满意的循环性能限制了它们的应用。针对锰镍基层状氧化物作为钠离子电池正极材料所面临的问题,本文通过元素取代和涂层包覆的策略改善了锰镍基层状氧化物的电化学性能,本文的创新策略主要如下:(1)通过水热反应和高温退火处理合成了具有高电化学性能的Co部分取代的O3-NaMn_(2/3)Co_(1/6)Ni_(1/6)O_2层状氧化物电极材料。所制备的样品材料具有均匀的球形形貌,当在0.1 C的电流密度下循环时,材料表现出153.6 mAh g~(-1)的初始可逆容量,在100次充放电循环后的容量保持率约为81.7%,其平均库仑效率为98%。此外,该电极材料还具有优异的倍率性能,在1 C的电流密度下充放电时可逆容量达到91.6 mAh g~(-1)。材料优异的电化学性能源于Co的取代减少了过渡金属层的金属阳离子混排,提高了Na~+的扩散速率。此外材料的O3-O1的相变被有效抑制,材料的循环性能得以改善。(2)采用水热反应和随后的低温烧结过程合成了氟和硼两种非金属元素分别掺杂的新型P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2正极材料。由于材料特殊的晶相,P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2表现出优异的电化学性能,其在0.1 C的电流密度下初始放电比容量为156.3 mAh g~(-1),并且在0.2 C的电流密度下100个循环后仍有75.1%的容量保持率。作为对比,非金属元素掺杂的P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2电极材料则表现出更好的电化学性能。其中氟掺杂的Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)F_(0.1)O_(1.9)在0.1 C时提供165 mAh g~(-1)的可逆容量,由于氟掺杂可以明显抑制P3-O1相变,因此电极材料显示出更好的循环寿命。而硼掺杂的Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)B_(0.1)O_2电极材料从P3相转变为更稳定的P2相,并且硼掺杂可以有效抑制氧阴离子的氧化还原,因此Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)B_(0.1)O_2表现出显著改善的循环寿命和倍率性能。(3)为了获得循环稳定性和空气稳定性俱佳的锰镍基层状氧化物,采用AlPO_4和Mg_3(PO_4)_2作为保护涂层来改善P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2的电化学性能。金属磷酸盐涂层通过共沉淀的途径均匀地包覆在原始颗粒的表面。通过电化学性能测试结果表明,两种金属磷酸盐包覆改性的样品均显示出明显改善的循环性能,在0.2C的电流密度下的100个循环后容量保持率都约为93%。另外将电极材料在空气中暴露后,金属磷酸盐涂层包覆的样品仍能保持高的电化学活性。
【图文】：

图 1.1 电池结构示意图：(a) 钠/硫电池，(b) ZEBRA 电池子电池的工作原理池与锂离子电池的工作原理相类相似，是通过钠离子和正极之间的穿梭转移进行充放电工作的二次电池[15中采用具有层状结构的 NaMnO2层状氧化物和硬碳分的活性物质进行充放电机理阐述。在电池充电过程中2中脱出，在穿过电解液与隔膜孔通道后插入到负极的电化学势要高于正极，电能转化为化学能而被储存，极。当充电完成，正极是缺钠状态，而负极则是富钠程完全相反，，钠离子会从从负极脱出，然后再次回到成电能。其充放电机理如图 1.2 所示，电极反应方程正极反应：NaMnO2→ Na1-xMnO2+ xNa++ xe-负极反应：xNa++ nC + xe-→ NaxCn

NaMnO2和硬碳分别作为正极和负极材料的钠离子电池正极材料简述料是钠离子电池至关重要的组成部分，它决定了[16]。因此，研发性能优异和价格低廉的正极材料键。对于正极材料综合性能的评判标准主要包括液的适配性，电子与离子导电率，钠离子扩散速及绿色环保等方面。经过长时间的科学研究，目下几种类型：过渡金属氧化物 NaxMO2(M = 过普鲁士蓝类似物以及有机化合物[17-20]。图 1.3 是的放电容量与能量密度的对比图。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ131.12;TM912

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 仝静波;日本《陶瓷》 Vol.94,№1,1986 特集:非氧化物材料[J];硅酸盐通报;1988年04期

2 史可顺;高技术陶瓷在耐火材料方面的应用[J];江苏陶瓷;1988年02期

3 ;纺织机器的烧结氧化物材料[J];上海纺织科技动态;1975年04期

4 程璐;所艳华;张微;汪颖军;;三元复合氧化物的制备及应用研究进展[J];化工进展;2017年12期

5 虞自由;侯新梅;周国治;;高温含水条件下非氧化物材料的反应行为[J];有色金属科学与工程;2012年01期

6 沈容;王聪;王天民;;新型“负热膨胀”氧化物材料[J];材料导报;2001年08期

7 ;新研制氧化物材料拥有“形状记忆”[J];分析测试学报;2013年12期

8 张金星;;新研制氧化物材料拥有“形状记忆”[J];功能材料信息;2013年Z1期

9 郭小勇;;纳米涂覆钴锂氧化物材料在津实现量产[J];功能材料信息;2009年04期

10 相文峰,颜雷,谈国太,郭海中,刘丽峰,吕惠宾,周岳亮,陈正豪;硅基集成电路的发展和新一代栅极氧化物材料的研究现状[J];物理;2003年04期

相关会议论文 前10条

1 韩笑yN;王军;程海峰;邢欣;;热电氧化物材料研究现状[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第2分册）[C];2010年

2 胡季帆;;氧化物材料器件中的电致电阻与电控磁研究进展[A];2015中国功能新材料学术论坛暨第四届全国电磁材料及器件学术会议摘要集[C];2015年

3 马北越;赵洁;于景坤;庄辉;韩文习;;利用天然原料合成Si基非氧化物材料的研究进展[A];第七届(2009)中国钢铁年会论文集（上）[C];2009年

4 王聪;沈容;王天民;;氧化物材料Zr_(1-x)Hf_xW_2O_8各向同性负热膨胀性能的研究[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

5 王接喜;冷进;李艳;李滔;李新海;王志兴;;喷雾热解高效制备锂离子电池材料及微结构调控[A];2017储能材料与能量转换技术专题会议摘要集[C];2017年

6 孙彦民;郭秋双;于海斌;南军;张景成;李晓云;周鹏;夏继平;;钛硅复合氧化物及在加氢精制催化剂中的研究[A];第十六届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2019年

7 袁航空;崔新江;邓友全;石峰;;NiAlO_x金属复合氧化物常压催化苯酚加氢反应[A];“一带一路，引领西部发展”——2017年中西部地区无机化学化工学术研讨会论文摘要[C];2017年

8 马北越;康健;黄文龙;厉英;于景坤;;非氧化物及其复合材料的合成与应用研究进展[A];2012年全国冶金物理化学学术会议专辑（下册）[C];2012年

9 张明生;尹真;吴兴龙;陈强;冯瑞;;氧化物材料的相变和晶格振动的光散射研究[A];中国分析测试协会科学技术奖发展回顾[C];2015年

10 秦萱;常化振;;MOx(M=Ce,Co,Cu,Fe)与Sn的复合氧化物应用于NO_x储存研究[A];第十一届全国环境催化与环境材料学术会议论文集[C];2018年

相关重要报纸文章 前3条

1 记者刘其丕 李晓飞;纳米涂覆钴锂氧化物材料获天津市技术创新奖[N];中国有色金属报;2010年

2 志飞;低温制备纳米非氧化物材料获成功[N];中国有色金属报;2002年

3 记者 李晓斌;挖掘特色优势 培强龙头企业 努力争当东部振兴排头兵[N];邯郸日报;2011年

相关博士学位论文 前10条

1 娄帅锋;铌基氧化物的制备及电化学储锂行为研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 曹凯;富锂锰基正极材料的制备、电极设计及其改性研究[D];中国科学技术大学;2018年

3 后小毅;钴基双金属氧化物材料的制备及其储锂性能研究[D];兰州大学;2019年

4 郭建辉;低热还原主族—过渡金属复合氧化物及其结构与物性调控[D];中国科学技术大学;2018年

5 陈彬;尖晶石氧化物材料的形貌和结构研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年

6 张勇;AB_2O_4、ABO_3复合氧化物的合成、表征与性质[D];武汉大学;2004年

7 梁家和;低维氧化物纳米结构化学湿法合成、表征及性能研究[D];清华大学;2005年

8 雷丽文;钙钛矿型锰基氧化物的制备、结构及性能研究[D];武汉理工大学;2006年

9 谢兴华;含锂纳米复合氧化物爆炸合成[D];大连理工大学;2007年

10 马雪婧;基于多氧化态金属的氧化物的赝电容及其器件[D];兰州理工大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 姜欣宇;锰基氧化物/碳复合材料的制备及其锂电性能研究[D];燕山大学;2019年

2 王誉;锰镍基层状氧化物钠离子电池正极材料的制备及改性研究[D];湘潭大学;2019年

3 刘丽平;磁性基三元金属复合氧化物的制备及对水中As （Ⅴ）的吸附去除效果研究[D];南京农业大学;2017年

4 黄贤凯;不同导电助剂对富锂锰基层状氧化物电极性能影响研究[D];北京有色金属研究总院;2019年

5 张金宇;锰铌复合氧化物基锂离子电池负极材料的制备及电化学性能的研究[D];哈尔滨工程大学;2019年

6 王建燕;铁铜锰复合氧化物的制备、颗粒化及其对砷吸附性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所);2019年

7 王海清;话筒状钴钼氧化物的合成及其电化学应用[D];厦门大学;2018年

8 王亚男;U(Ⅵ)、Sr(Ⅱ)Co(Ⅱ)在氧化物上的吸附性能研究[D];中国科学技术大学;2018年

9 李浩然;铁基氧化物的制备与性能研究[D];河北工业大学;2016年

10 陶梦铭;铁镁氧化物负载胡敏酸对砷镉的吸附及对其在水稻中含量的影响[D];浙江大学;2019年

本文编号：2630329