钠离子电池正极材料Na x MnO 2 的制备及其电化学性能的研究
发布时间：2021-08-21 08:27
钠元素由于与锂元素化学性质相近,且地球储量丰富,成本低,越来越成为研究热点。然而,钠离子的半径较锂离子大,在电极反应过程中对电极材料要求高,因此寻找合适的电极材料至关重要。在钠离子电池正极材料中,层状锰酸钠材料具有电化学窗口较宽,理论容量高,成本低的优点。但是,该材料导电性较差,高倍率电化学性能差,由于Jahn-Teller效应,锰离子在循环过程中不断溶解导致材料循环性能差。本论文主要以锰酸钠NaxMnO2为主要研究对象,探索了不同微观形貌对其电化学性能的影响,并通过提高Na/Mn比例提高材料的容量和稳定性,通过与导电聚合物形成复合材料来提高其电化学性能。主要的研究方法和结果如下:（1）以室温下置换反应制备的MnCO3实心微球与KMnO4在酸作用下反应得到的MnO2空心微球为前驱体,与NaOH在高温下煅烧得到尺寸均匀的Na0.7MnO2.05空心微球,再利用吡咯聚合得到聚吡咯包覆的Na0.7MnO2.0...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
地球元素含量分布图[12]
第一章绪论3池对于科研人员的强大吸引力以及它被广泛看好的应用前景[18-21]。钠离子电池发展中面临最主要的问题之一，就是可容纳半径较大的Na的电极材料选择，因此寻找合适的性能良好的正负极材料对电池的性能至关重要。在此前的研究工作中中，大量工作集中在具有高操作电压以及能量密度的钠离子电池新型电极材料的设计，制备和改性上，例如O3型和P2型层状结构氧化物正极材料（NaXO2X=Co,Ni,Fe,Ti,Cr或以上过渡金属元素的组合）[20,22-25]。此外，高性能锂离子电池适用的纳米结构电极材料很大程度上对钠离子电池同样适用，这对钠离子电池电极材料的发展提供了基矗随着研究工作的不断加深，钠离子电池将有希望成为下一代储能系统的中流砥柱[26]。1.2钠离子电池概述1.2.1钠离子电池的组成及工作原理钠离子电池由正极、负极和负责导离子/电子的电解液构成。通过之前研究者们的不懈努力，钠离子电池的正负极材料候选不断丰富，正极材料主要包括层状过渡金属化合物（NaxMO2M=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni），聚阴离子材料（NaFePO4,Na2FeP2O7,Na3V2(PO4)3，NaMnFe(CN)6等）以及有机正极材料。钠离子电池负极活性材料则包括碳材料，金属及合金基负极材料，氧化物基负极材料等。电解液分为水溶液，非水溶液和离子液体等，其中研究最多的是以钠盐NaClO4,NaPF6为溶质的有机电解液，溶剂通常为乙酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）等[3,27-31]。图1.2钠离子电池示意图及其工作原理[12]Fig.1.2Schematicdiagramandworkingprincipleofsodiumionbattery.[12]
第一章绪论51.3.1过渡金属氧化物正极材料1.3.1.1层状过渡金属氧化物这类层状过渡金属氧化物是近年来研究最为广泛的钠离子电池正极材料，它的一般公式为NaxMO2，由边共边的MO6八面体片组成，其中Na+离子位于MO6八面体片之间形成层状结构。典型的层状过渡金属氧化物可分为两种类型：O3型和P2型，分类取决于Na+周围环境和氧层堆叠类型的数量，“O”或“P”表示Na+离子的八面体或三角棱柱配位环境，数字表示具有不同氧层重复堆叠单元的数量。O3和P2相晶体结构示意图如图1.3所示。由Na含量和动力学决定的相结构对电化学性能具有重要影响[4,24,52-55]。图1.3P2和O3型层状氧化物的框架结构[4]Fig.1.3StructureschemeofP2andO3layeredoxide.[4]一般来说，由于片层的滑动，在电化学循环过程中，O3和P2相都会经历一系列的相变。O3相通常经历以下相变：O3→P3→O3→P3。与O3相不同的是，P2相在Na+离子脱出后通过MO2片层滑移形成八面体位点，从而转变为O2相。P2相的结构比O3相更稳定，因为P2相的相变伴随MO6八面体的π/3旋转和M-O键的断裂。虽然O3相由于Na含量的增加通常表现出更高的容量，但是P2相以其良好的结构稳定性和低扩散势垒，往往表现出更好的循环稳定性和倍率性能。一般来说，相比与锂离子电池，由于Na+离子半径更大以及在不同Na含量
【参考文献】：
期刊论文
[1]Composites of sodium manganese oxides with enhanced electrochemical performance for sodium-ion batteries: Tailoring properties via controlling microstructure[J]. HUANG JiaJia,LUO Jian. Science China（Technological Sciences）. 2016(07)
[2]High-energy cathode materials for Li-ion batteries: A review of recent developments[J]. ZHANG YiDi,LI Yi,XIA XinHui,WANG XiuLi,GU ChangDong,TU JiangPing. Science China（Technological Sciences）. 2015(11)
本文编号：3355249
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
地球元素含量分布图[12]
第一章绪论3池对于科研人员的强大吸引力以及它被广泛看好的应用前景[18-21]。钠离子电池发展中面临最主要的问题之一，就是可容纳半径较大的Na的电极材料选择，因此寻找合适的性能良好的正负极材料对电池的性能至关重要。在此前的研究工作中中，大量工作集中在具有高操作电压以及能量密度的钠离子电池新型电极材料的设计，制备和改性上，例如O3型和P2型层状结构氧化物正极材料（NaXO2X=Co,Ni,Fe,Ti,Cr或以上过渡金属元素的组合）[20,22-25]。此外，高性能锂离子电池适用的纳米结构电极材料很大程度上对钠离子电池同样适用，这对钠离子电池电极材料的发展提供了基矗随着研究工作的不断加深，钠离子电池将有希望成为下一代储能系统的中流砥柱[26]。1.2钠离子电池概述1.2.1钠离子电池的组成及工作原理钠离子电池由正极、负极和负责导离子/电子的电解液构成。通过之前研究者们的不懈努力，钠离子电池的正负极材料候选不断丰富，正极材料主要包括层状过渡金属化合物（NaxMO2M=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni），聚阴离子材料（NaFePO4,Na2FeP2O7,Na3V2(PO4)3，NaMnFe(CN)6等）以及有机正极材料。钠离子电池负极活性材料则包括碳材料，金属及合金基负极材料，氧化物基负极材料等。电解液分为水溶液，非水溶液和离子液体等，其中研究最多的是以钠盐NaClO4,NaPF6为溶质的有机电解液，溶剂通常为乙酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）等[3,27-31]。图1.2钠离子电池示意图及其工作原理[12]Fig.1.2Schematicdiagramandworkingprincipleofsodiumionbattery.[12]
第一章绪论51.3.1过渡金属氧化物正极材料1.3.1.1层状过渡金属氧化物这类层状过渡金属氧化物是近年来研究最为广泛的钠离子电池正极材料，它的一般公式为NaxMO2，由边共边的MO6八面体片组成，其中Na+离子位于MO6八面体片之间形成层状结构。典型的层状过渡金属氧化物可分为两种类型：O3型和P2型，分类取决于Na+周围环境和氧层堆叠类型的数量，“O”或“P”表示Na+离子的八面体或三角棱柱配位环境，数字表示具有不同氧层重复堆叠单元的数量。O3和P2相晶体结构示意图如图1.3所示。由Na含量和动力学决定的相结构对电化学性能具有重要影响[4,24,52-55]。图1.3P2和O3型层状氧化物的框架结构[4]Fig.1.3StructureschemeofP2andO3layeredoxide.[4]一般来说，由于片层的滑动，在电化学循环过程中，O3和P2相都会经历一系列的相变。O3相通常经历以下相变：O3→P3→O3→P3。与O3相不同的是，P2相在Na+离子脱出后通过MO2片层滑移形成八面体位点，从而转变为O2相。P2相的结构比O3相更稳定，因为P2相的相变伴随MO6八面体的π/3旋转和M-O键的断裂。虽然O3相由于Na含量的增加通常表现出更高的容量，但是P2相以其良好的结构稳定性和低扩散势垒，往往表现出更好的循环稳定性和倍率性能。一般来说，相比与锂离子电池，由于Na+离子半径更大以及在不同Na含量
【参考文献】：
期刊论文
[1]Composites of sodium manganese oxides with enhanced electrochemical performance for sodium-ion batteries: Tailoring properties via controlling microstructure[J]. HUANG JiaJia,LUO Jian. Science China（Technological Sciences）. 2016(07)
[2]High-energy cathode materials for Li-ion batteries: A review of recent developments[J]. ZHANG YiDi,LI Yi,XIA XinHui,WANG XiuLi,GU ChangDong,TU JiangPing. Science China（Technological Sciences）. 2015(11)
本文编号：3355249
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