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钠离子电池高能正极材料的研究

【摘要】:在能量密度方面,钠离子电池与锂离子电池相差不多,再加上因自然界含量低而成本低、合适的能量密度和氧化还原电位(Eθ(Na+/Na)=-2.71 V与锂离子的电极电势相比仅仅只高0.3 V)等优点,具有很大的应用潜能而吸引着我们。但钠离子的半径比锂离子的半径大,所以即使是同样的正极材料理论上钠离子电池的容量都较锂离子电池低,并且钠离子电池正极材料的研究处于开发阶段,还有很多工作需要去做。本论文的目的是研究钠离子电池高能正极材料。NaV_3O_8·xH_2O和Na Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2因其具有高的放电容量而成为本论文研究的对象。本论文分别用水热法和溶胶凝胶法合成了NaV_3O_8·xH_2O正极材料。对水热法合成NaV_3O_8·xH_2O的工艺进行了优化:1.探索了通过水热法制备NaV_3O_8·xH_2O,分别在300℃、400℃、500℃煅烧温度的影响,采用恒流充放电测试对它们进行了电化学表征,结果表明在180℃水热48 h,再在300℃煅烧2 h所合成的NaV_3O_8·xH_2O的性能最优:在10 m A/g的电流时,放电容量几乎能达到180 m Ah/g,并且得出高温对NaV_3O_8·xH_2O的晶体结构有破坏的影响。2.通过SDBS(十二烷基苯磺酸钠)对NaV_3O_8·xH_2O进行形貌引导,从而改变化学性能,并找出最佳加入量。通过电镜可以发现SDBS可以引导NaV_3O_8·xH_2O沿着一维方向生长。其电化学性能表明:加入0.04 mol/L SDBS的NaV_3O_8·xH_2O正极材料与没有加入SDBS的NaV_3O_8·xH_2O相比能将其首次放电容量从179.39 m Ah/g提升到227.5 m Ah/g在10 m A/g。阴阳离子掺杂改性了正极材料NaV_3O_8·xH_2O:阳离子掺杂了Mn~(3+)、Fe~(3+)。掺杂Mn~(3+)后在大电流下,倍率性能反而有所下降。循环性能也只是被轻微地改善。掺杂Fe~(3+)后倍率性能有所改善,但循环性能反而下降。阴离子掺杂了F、Cl。通过SEM表征表明:F的掺杂同样会使纳米NaV_3O_8·xH_2O朝一维方向生长,并且分布更均匀等特点。再通过恒流充放电表征结果表明:掺杂0.05 F、Cl时,其循环性能和倍率性能都是最好的。分别用MgO、ZnO对水热法合成的正极材料NaV_3O_8·xH_2O进行了表面包覆,并探索了最佳包覆量。通过对材料的表征和电化学性能的表征表明:(1)随着包覆的MgO、ZnO的量的增加,纳米NaV_3O_8·xH_2O朝一维方向生长,从而缩短了扩散路径(1%wt MgO和1.5%wt ZnO最佳)(2)随着MgO、ZnO的量的增加能提高正极材料NaV_3O_8·xH_2O的放电容量和减少阻抗(1%wt MgO和1.5%wt ZnO最佳)。并在溶胶凝胶法合成的NaV_3O_8·xH_2O空白正极材料上包覆了C,还成功地找出了最佳包覆量。成功地改善了它的电化学性能如:放电容量和循环性能。本论文分别通过合成方法和合成工艺两方面对于Na Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2正极材料进行了研究,首次成功地用有机共沉淀的方法合成出了Na Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2,再结合XRD和电化学性能的研究结果找到了有机共沉淀的最佳合成方法为:有机共沉淀法(压片,260℃煅烧2 h,900℃烧12 h,金属滴8-羟基喹啉)。

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