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碱金属离子嵌入型铁/锰基正极材料的设计、创制及储能机理

【摘要】:本文围绕高性能铁/锰基正极材料的开发及应用,按照材料设计、可控制备、结构表征、电化学性能测试到储能机制分析的研究思路,深入探究铁/锰基正极材料在钠离子电池和钾离子电池中的储能机制及潜在应用价值。基于离子预嵌入策略,构筑了不同碱金属离子嵌入的铁/锰基层状正极材料,系统探究了不同碱金属离子对材料晶体结构和储钠性能的本征影响,首次创制了具有大离子扩散通道、多活性储钠位点和稳定骨架结构的K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2六边形纳米颗粒正极材料,并采用先进原位表征技术揭示了其本征储钠机制。采用原位协同复合技术,成功创制了钠离子嵌入型锰基正极材料,表征了其物相、形貌和电化学储钠性能等,并采用原位表征技术详细探究了其微结构演变规律。基于静电纺丝技术成功构筑了内连接K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2介孔纳米线钾离子电池正极材料,系统表征了其物相、结构及电化学储钾性能。基于以上研究内容,取得了一些有意义的研究成果:(1)基于离子预嵌入策略并结合有机酸辅助干燥技术,构筑了碱金属离子嵌入型铁/锰基层状过渡金属氧化物正极材料,全面阐述了其简单灵巧的制备过程,表征了其结构及元素组成等。研究了不同碱金属离子种类、碱金属离子嵌入量和烧结温度等对该类材料储钠性能的影响机制。系统对比了K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2、Na_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2和Li_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2三种正极材料的储钠性能,测试结果表明K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2正极材料展现出最高的初始放电比容量(180.4 mAh g~(-1)),且在1000 mA g~(-1)的电流密度下循环1000次后的容量保持率高达85.0%,在倍率性能测试中展现出优异的倍率回复性(98.6%)。(2)基于原位协同复合策略,创制了一种新型的锰基钠离子电池正极材料,xNa_4Mn_2O_5·(1-x)Na_(0.7)MnO_2。通过控制钠源和锰源的投料比,对复合材料中两种物相的比例进行了精确调控。系统表征了该复合正极材料的形貌、结构、组成及其在半电池中的储钠性能,最终证实组分比例为0.44Na_4Mn_2O_5·0.56Na_(0.7)MnO_2正极材料具有最为优异的电化学储钠性能。在1000 mA g~(-1)的高电流密度下,0.44Na_4Mn_2O_5·0.56Na_(0.7)MnO_2正极材料的初始放电比容量可达157.0 mAh g~(-1),经过500次循环后其容量仍保留有142.0 mAh g~(-1),对应的容量保持率高达90.0%,展现出优异的循环稳定性和高倍率性能。此外,基于0.44Na_4Mn_2O_5·0.56Na_(0.7)MnO_2正极材料和硬碳负极材料组装了钠离子全电池,系统表征了该全电池的循环性能和倍率性能。在50 mA g~(-1)的电流密度下,该全电池的初始放电比容量为150.0 mAh g~(-1),经过100次循环后其容量保持率高达86.0%。通过先进原位表征技术,对该复合材料中的元素价态和晶体结构等进行了实时监测,揭示了该复合材料的本征储钠机制。为面向大规模储能具有高能量密度和长循环寿命的钠离子电池的开发及应用,提供了新的研究思路。(3)基于静电纺丝和可控热解相结合的策略,构筑了一种新型钾离子电池正极材料,内连接K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2介孔纳米线。系统表征了该内连接K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2介孔纳米线正极材料的形貌、结构和物质组成等,并基于该正极材料组装了钾离子半电池,将其与K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2颗粒正极材料的储钾性能进行对比,最终证实具有独特形貌结构的内连接K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2介孔纳米线正极材料具有较为优异的电化学储钾性能。在20 mA g~(-1)电流密度下,其初始放电比容量可达178.0 mAh g~(-1),在经过45次循环后其容量仍保留有125.0 mAh g~(-1),对应的容量保持率为70.0%。此外,基于内连接K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2介孔纳米线正极材料和软碳负极材料组装了钾离子全电池,系统表征了该全电池的循环性能和倍率性能。该全电池的初始放电比容量为81.2 mAh g~(-1)(在40 mA g~(-1)电流密度下),经过50次循环后其容量仍保留有64.0 mAh g~(-1),对应的容量保持率为78.8%。通过先进原位表征技术,对该内连接K_(0.7)Fe_(0.5)Mn_(0.5)O_2介孔纳米线正极材料的体结构等进行了实时监测,揭示了该复合材料的本征储钾机制。为后续开发具有稳定晶体骨架结构和高储钾容量的钾离子电池正极材料,奠定了科学基础并提供了技术支撑。

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