P2相Na 2/3 Ni 1/6 Co 1/6 Mn 2/3 O 2 钠离子电池正极材料的制备与电化学性能研究
发布时间：2020-12-11 13:09
钠离子电池作为一种二次可逆充放电电池,具有丰富的原料资源以及相对稳定的电化学性能,被认为是最具有潜力的候选储能系统之一。但目前钠离子电池的能量密度、倍率性能和循环稳定性仍受正极材料的限制。基于过渡金属离子与晶格氧双重氧化还原反应的层状过渡金属氧化物正极材料具有较高的比容量,是实现高比能量钠离子电池较为理想的正极材料。然而,由于钠离子的离子半径较大导致其扩散缓慢,因此钠离子电池正极材料的发展仍然面临着巨大的挑战。本文通过共沉淀法制备了P2相过渡金属层状氧化物Na2/3Ni1/6Co1/6Mn2/3O2,并以其为研究对象,对其电化学性能、高压下相转变对材料的影响以及不同添加剂对于该材料与硬碳组装的全电池性能影响进行了一系列研究。本文借助X射线衍射（XRD）以及扫描电子显微镜（SEM）等表征方式研究了Co掺杂对材料结构和电化学性能的影响规律。研究表明:1)通过Co元素的掺杂使得材料晶体结构的晶胞参数c/a变大,倍率性能得到了提升,在20 C（1 C=100m A/g）的倍率下仍然有3...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钠离子电池工作原理[8]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-1.2.2钠离子电池的工作原理钠离子电池与锂离子电池具有十分相近的工作原理（如图1-1所示），在电池的充电过程中，钠离子从正极材料中被提取出来，通过电解质和隔膜插入到负极材料中，并且通过外部电路将电子的补偿电荷提供给负极。当充电完成后，此时负极处于钠富集状态，而正极处于钠耗尽状态。在放电过程中则发生相反的反应，在外部电压的作用下，钠离子由负极材料中脱出，经过电解质又返回到正极材料中[8]。如上文所提到的，相较于锂离子电池，对于钠离子电池来说电极材料的选择有更多的限制，一方面缺少理论指导，另一方面缺乏具有示范意义的材料体系。目前钠离子电池的电极材料主要是借鉴锂离子电池中的材料，再通过实验进行筛眩具体正负极材料的应用会在下文进行详细讨论。1.3钠离子电池研究进展科研人员通过各种方法来改善钠离子电池的性能，主要包括开发新型正极材和负极材料，以及优化电解液成分，包括使用添加剂等手段，来提升钠离子电池的性能。本小节将从这几个方面对钠离子电池的相关研究进展进行阐述和分析总结。1.3.1正极材料在钠离子电池中的应用及其研究进展钠离子电池中，最为关键的步骤就在于钠离子在正极和负极间的脱出以及嵌入过程，因此正负极活性材料很大程度上决定了电池的电化学性能。常见的钠离子正负极材料如图1-2所示。良好的钠离子电池正极材料应该具有高氧化还原电势、高可逆比容量以及具有较好的稳定性等特质，目前受到学者广泛研究的主要有以下几类：图1-2常见钠离子正极材料工作电压以及比容量[1]
.5Mn0.5O2在小电流充放电的情况下比容量可以达到200mAh/g[20]，Yabuuchi等人[21]通过离子交换法从LiNi0.5Mn0.5O2中得到了NaNi0.5Mn0.5O2。Komaba等人[22]之后又对这种材料进行了更加详细的研究，他们发现NaNi0.5Mn0.5O2作为正极材料在电压范围为2.0-3.8V，电流密度为8mA/g的条件下，可逆容量高达120mAh/g。含有镍元素的层状氧化物是一种非常具有潜力的储能电池系统，这类氧化物的电化学性能具有相对较高的工作电压，因为镍的价态具有+2、+3和+4，因此在氧化还原反应中能提供更多的电荷补偿。图1-5Na0.44MnO2a)晶体结构;b)循环伏安曲线[23]
本文编号：2910585
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钠离子电池工作原理[8]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-1.2.2钠离子电池的工作原理钠离子电池与锂离子电池具有十分相近的工作原理（如图1-1所示），在电池的充电过程中，钠离子从正极材料中被提取出来，通过电解质和隔膜插入到负极材料中，并且通过外部电路将电子的补偿电荷提供给负极。当充电完成后，此时负极处于钠富集状态，而正极处于钠耗尽状态。在放电过程中则发生相反的反应，在外部电压的作用下，钠离子由负极材料中脱出，经过电解质又返回到正极材料中[8]。如上文所提到的，相较于锂离子电池，对于钠离子电池来说电极材料的选择有更多的限制，一方面缺少理论指导，另一方面缺乏具有示范意义的材料体系。目前钠离子电池的电极材料主要是借鉴锂离子电池中的材料，再通过实验进行筛眩具体正负极材料的应用会在下文进行详细讨论。1.3钠离子电池研究进展科研人员通过各种方法来改善钠离子电池的性能，主要包括开发新型正极材和负极材料，以及优化电解液成分，包括使用添加剂等手段，来提升钠离子电池的性能。本小节将从这几个方面对钠离子电池的相关研究进展进行阐述和分析总结。1.3.1正极材料在钠离子电池中的应用及其研究进展钠离子电池中，最为关键的步骤就在于钠离子在正极和负极间的脱出以及嵌入过程，因此正负极活性材料很大程度上决定了电池的电化学性能。常见的钠离子正负极材料如图1-2所示。良好的钠离子电池正极材料应该具有高氧化还原电势、高可逆比容量以及具有较好的稳定性等特质，目前受到学者广泛研究的主要有以下几类：图1-2常见钠离子正极材料工作电压以及比容量[1]
.5Mn0.5O2在小电流充放电的情况下比容量可以达到200mAh/g[20]，Yabuuchi等人[21]通过离子交换法从LiNi0.5Mn0.5O2中得到了NaNi0.5Mn0.5O2。Komaba等人[22]之后又对这种材料进行了更加详细的研究，他们发现NaNi0.5Mn0.5O2作为正极材料在电压范围为2.0-3.8V，电流密度为8mA/g的条件下，可逆容量高达120mAh/g。含有镍元素的层状氧化物是一种非常具有潜力的储能电池系统，这类氧化物的电化学性能具有相对较高的工作电压，因为镍的价态具有+2、+3和+4，因此在氧化还原反应中能提供更多的电荷补偿。图1-5Na0.44MnO2a)晶体结构;b)循环伏安曲线[23]
本文编号：2910585
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