聚阴离子型钠离子电池正极材料的制备与性能研究

发布时间：2020-05-04 16:10

【摘要】：钠离子电池作为后锂时代代表性的成员,在大规模储能系统中极具吸引力和应用前景。钠离子电池材料由于其资源丰富、成本效益高且使用寿命长的优点使得人们对钠离子电池(SIBs)的研究成为热点。聚阴离子型钠基材料是SIBs中最具应用前景的电极材料之一,它们具有较好的结构稳定性,安全性和较高的工作电压。然而,这种材料相对较低的导电率和比容量限制了它们的应用。本文通过对比固相法、前驱体两步法和水热法三种合成方法。发现水法法可合成具有钠离子迁移通道的橄榄石(Olivine)型的磷酸锰钠(NaMnPO_4),并对其原料配比、水热温度及碳包覆温度进行了优化。在Na:P:Mn为3:1:1,水热和煅烧温度分别为180℃和500℃条件下,直接合成的NaMnPO_4在0.1C时放电比容量为59.6mAh·g~(-1),Na离子扩散系数为1.31×10~(-14)cm·s~(-1)。采用溶胶凝胶法合成Na_(3-2x)Mg_xV_2(PO_4)_3/C(x=0、0.05、0.1、0.2)正极材料。通过SEM观察其粒径在200~600nm之间,XPS分析结果表明Mg和V分别为+2和+3价。电化学分析结果表明当x=0.05时获得的样品电化学性能最佳,可能是因为Mg~(2+)取代Na~+形成等量的Na空位引起Na离子扩散系数增加,但Mg取代量过多又可能导致晶格畸变加剧。Na_(2.9)Mg_(0.05)V_2(PO_4)_3/C在10C、20C和30C下的放电比容量为1C时的98.9%和91.5%和76.2%,在10C下循环1200圈容量保持率为80.3%,具有良好的应用前景。采用球磨喷雾干燥辅助高温固相法来合成铜取代的Na_3V_(2-x)Cu_x(PO_4)_3/C(x=0、0.01、0.03、0.05、0.07),并利用XRD、SEM、XPS、EPR和电化学手段对样品进行了研究。结果表明,当x=0.05时获得的Na_3V_(1.95)Cu_(0.05)(PO_4)_3/C样品在50C(5.88A·g~(-1))电流密度下放电比容量为90.6mAh·g-1,20C(2.35A·g~(-1))下循环2000周容量保持率为88.2%,具有较好的倍率和循环性能。Cu取代有效提升了材料的电子电导率(7.2×10~(-2)S·cm~(-1))和钠离子扩散系数(1.695×10~(-12)cm~2·s~(-1)),这是由于Cu~(2+)取代V~(3+)产生了氧空位并有伴生电子产生作用的结果。此外,不活泼的Cu~(2+)可作为支柱稳定材料结构,减少充放电过程中结构的体积变化。
【图文】：

（a）O3相和（b）相和（c）隧道结构示意图

聚阴离子型钠离子电池正极材料的制备与性能研究

（101）晶面Olivine结构NaMnPO4和Maricite结构的NaMnPO4Fig.1.2ThecrystalstructureofOlivineNaMnPO4&MariciteNaMnPO4
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

【参考文献】