NASICON型磷酸钛钠纳米晶的制备与储钠性能研究

发布时间：2020-05-10 11:09

【摘要】：钠离子电池具有锂离子电池相似的储能机理,且拥有良好的安全性、较低的成本、环境友好等诸多优势,是一种有潜力的新一代储能体系。然而,钠离子较大的半径使得其可逆充放电性能较差、比容量偏低以及倍率循环性能差,这些问题都限制了钠离子电池的发展和实际应用。因此开展提升钠离子电池负极材料的电化学性能的相关研究对于钠离子电池的长远发展起着决定性的影响。在众多被研究的钠离子负极材料中,拥有三维开放式框架的钠超离子导体型(NASICON)结构的NaTi_2(PO_4)_3,由于其高的离子传导性和良好的化学稳定性引起了人们广泛的研究。但是这类材料较差的电子导电性,使得其倍率性能和循环性能不理想。本文将介孔NASICON型NaTi_2(PO_4)_3纳米晶作为研究对象,采用金属离子掺杂以及碳包覆的改性手段,对NaTi_2(PO_4)_3储钠性能的增强开展相关研究工作。主要内容如下:(1)通过溶剂热法和退火处理制备了不同含量的Gd~(3+)掺杂介孔NaTi_2(PO_4)_3纳米晶材料。从微观表征上可以看出掺杂后介孔纳米晶的颗粒分布更加均匀。作为钠离子电池负极材料,掺杂浓度为5%的材料在5C电流密度下初始比容量为84.5mA h g~(-1),循环2000次后比容量仍有63.4 mA h g~(-1),库伦效率高于99%;在50C电流密度下比容量可高达47.5 mA h g~(-1),库伦效率超过97%。动力学分析表明,Gd~(3+)引入介孔NaTi_2(PO_4)_3纳米晶后,具有更高的电子导电性和离子迁移率。研究表明Gd~(3+)掺杂为提高NASICON型钠离子电池负极材料的电化学性能提供了一种新的技术手段。(2)通过溶剂热法以及退火处理制备了碳包覆Mn~(2+)掺杂介孔NaTi_2(PO_4)_3纳米复合材料。从微观表征上可以看出锰元素在介孔NaTi_2(PO_4)_3纳米晶中分布均匀,表面包覆碳的厚度为2 nm左右。该复合材料通过制浆涂膜法用作钠离子电池负极,表现出良好的钠储存性能。在0.5C、1C、2C、5C、10C、20C、30C和50C电流密度下充电比容量分别为120、118、115、110、106、102、99和95 mA h g~(-1);在电流为1C的情况下,循环200次后仍具有111.85 mA h g~(-1)的可逆储钠比容量;在20C大电流密度下循环1000次之后仍有92 mA h g~(-1)的比容量。研究表明这种碳包覆Mn~(2+)掺杂介孔NaTi_2(PO4)_3复合材料在高性能钠离子电池方面具有巨大的应用前景。
【图文】：

要采用玻璃纤维制成[29-31]。类似的物化性质使得 SIBs 有着与 LIBs 相似的工原理图如图 1.1 所示。在充电的过程中，在外加过隔膜，通过电解液的运输嵌入到负极材料，同极，保证电池正负极之间的电荷平衡，其中电能转成后，负极处于富钠状态。放电过程则相反，Na材料中，电子也经过外部电路回到正极，其中化学电完成后，正极又恢复到富钠态，负极又处于贫钠钠离子在正负极间的嵌入脱出可以看做是一种理因此也被形象地称为“摇椅式电池”。若以 NaxMBs 的正极材料，碳材料作为其负极材料，那么正负如下：O2 Na1-xMO2+ xNa++xe- xNa++ xe- NaxC6O2+ 6C Na1-xMO2+ NaxC6

能有效地减短 Na 离子的扩散路径，，从而增强其储钠性能。相关报道还有碳纳米管[45]、中空碳纳米球[46]、石墨烯[47]以及通过 N、S、P 等元素的掺杂碳材料[48,49]等，形貌如 1.2(d)~(f)所示。这些具有中空结构的材料具有较短的 Na+扩散距离和较大的电极与电解质的接触面积，作为 SIBs 的负极时具有优异的稳定性和倍率性能。(a) (b)(c)
【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】：TB383.1;TM912

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本文编号：2657211