新型锰基锌/钠离子电池正极材料的合成与性能研究
在科技飞速发展的21世纪，已经商业化应用的锂离子电池由于其高成本、低安全性和可持续性问题，导致其在大规模应用如电网存储等方面的部署仍受到限制。因此迫切需要其他低成本、高性能和安全性等综合性能高的储能系统来作为锂离子电池的替代品。其中具有高安全性、低成本、绿色环保的水系锌离子电池以及资源丰富、价格低廉、制备工艺可借鉴现有锂离子电池成熟方案的钠离子电池相继成了当前的研究热点，这两类新型的二次电池均有望成为下一代储能系统的候选。作为二次电池正极材料的候选，锰基材料有着高电压，安全，无毒，对环境友好且有着优异电化学性能的特点，因此，研究锰基材料在水系锌离子电池和钠离子电池中的应用具有重大的研究意义。本论文以锰基材料为主要研究对象，研究了其分别作为锌离子电池和钠离子电池正极材料的电化学特性及其相应的电化学反应机理，具体内容如下： 1.采用溶胶-凝胶法成功的制备了纯相的锰基材料Li2Mn3O7，首次将其应用于水系锌离子电池，研究其在不同电解液中的电化学性能及电化学反应机理。结果表明，通过在电解液中添加Li+添加剂大大的改善了Li2Mn3O7电极材料的电化学性能，在电压窗口为0.8~1.8V vs.Zn，电流密度为0.2A g-1下，循环两百次后比容量接近242mAh g-1，表现了非常优良的循环稳定性。相应的倍率性能测试结果表明，即使在2A g-1的大电流密度，初始比容量接近130mAh g-1，并且循环1000次后仍高于100mAh g-1的比容量，呈现出了优异的倍率性能。此外，通过循环伏安曲线测试，原位X射线衍射测试，非原位X射线光电子谱测试，我们详细的揭示了电解液中Li+添加剂的作用，为后续改善水系锌离子电池正极材料电化学性能提供了新的方向和方法。 2.首次将锰基材料Li2Mn3O7应用于钠离子电池，研究了其作为钠离子电池正极材料的电化学行为以及相应的电化学反应机理。研究发现Li2Mn3O7作为钠离子电池正极材料在进行充放电过程中发生了尖晶石状向层状结构的转变。为了减小结构转变对电化学性能的影响，以及为了进一步改善锰基材料作为钠离子电池正极材料时的电化学性能，采用湿化学合成法对初始的Li2Mn3O7样品进行了Al2O3表面包裹改性。所得Li2Mn3O7@Al2O3材料在钠离子电池中表现出优异的电化学性能。在1.5~4.3V（vs.Na）电压窗口下，0.1C电流密度时比容量高达200mAh g-1，且有着良好循环性能，在1C电流密度下循环100圈后容量保持率为93%。倍率性能测试表明，即使在2C电流密度的大倍率下，其稳定的比容量约为115mAh g-1，这说明Li2Mn3O7@Al2O3材料作为钠离子电池呈现了优异的倍率性能。上述结果为后续类尖晶石-层状复合结构的电极材料的合成和电化学性能的优化研究以及对锰基材料作为钠离子电池正极材料的电化学性能改善提供了参考。
锌离子电池;钠离子电池;锰基材料;制备工艺;电化学特性
华南理工大学
硕士
凝聚态物理
赵彦明
2022
中文
TM912;TM242:TM205.1
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）