新型锰基磷酸盐正极材料的制备及电化学性能研究
由于便携式设备、电动汽车等产品得到了广泛且快速的应用与普及以及现代社会对储能体系的需求快速扩大，使得锂离子电池难以满足人们对低成本、高安全性储能体系的需求。钠离子电池与水系锌离子电池因其低成本等优点逐渐走进人们的视野，有望成为新型电化学储能体系的候选者。锰基磷酸盐正极材料无毒无害、坏境友好，适合规模化生产。其诱导效应能进一步提高锰元素的工作电压，而稳固的三维开放结构使其具备良好的热稳定性，因此拥有重大的研究意义和价值。为了解决该类材料所遇到的问题，我们针对一种新型锰基混合磷酸盐Na3Mn2(P2O7)(PO4)重新设计了其合成过程并对它进行改性，进一步研究了它在钠离子电池与水系锌离子电池体系当中的电化学性能和反应机理，研究成果包括以下方面： 第一，锰基混合磷酸盐Na3Mn2(P2O7)(PO4)具有一维的Na+离子传输通道，是一种具有潜力的钠离子电池正极材料，然而其电化学性能受限于低电导率和锰溶解的问题。为此，我们采用了溶胶-凝胶法与冷冻干燥法合成了石墨烯与Na3Mn2(P2O7)(PO4)的纳米复合材料。改性后的样品具有101mAh g-1的可逆比容量与350Wh kg-1的能量密度，并且循环稳定性以及倍率性能都得到了明显的提高。与未复合的样品相比，活性材料的导电性大幅度改善，锰溶解现象得到了很好的抑制。另外，通过原位XRD测试发现Na3Mn2(P2O7)(PO4)在充放电过程中发生固溶反应，体积变化率极小，仅有0.87%，是少有的零应变正极材料。 第二，采用溶胶-凝胶法和冷冻干燥法合成了单碳包覆的Na3Mn2(P2O7)(PO4)样品，并首次提出将其作为水系锌离子电池的正极材料。经过预激活处理，电极最高可释放141mAhg-1的比容量，在多圈循环后稳定在90mAhg-1左右，并且表现出良好的倍率性能。电化学性能相比于未预激活处理的电极有明显提升。另外，我们采用了原位与非原位测试初步分析了Na3Mn2(P2O7)(PO4)‖Zn电池的储锌机理，发现Na3Mn2(P2O7)(PO4)发生了溶解并生成了其它多种活性物质，并且一些磷酸锌盐水合物也可以参与到“溶解/沉积”机制当中。
钠离子电池;水系锌离子电池;锰基磷酸盐;制备工艺;电化学性能
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）