钠离子电池层状电极材料的制备及性能研究
随着世界经济的不断发展，传统能源的清洁利用和清洁能源的大量应用愈来愈紧迫地需求一种性能优异的储能器件。具有和锂离子电池相似物化性质的钠离子电池，凭借资源丰富、环境友好且能量密度较高的优势，引起了人们的广泛关注和研究。在钠离子电池的研究中，如何得到性能优异的电极材料是一个尤为关键的问题。基于此，本论文主要设计了两种钠离子电池电极材料，具体分为四个工作部分，总结如下: (1)第一种为P2-Na0.67Ni0.3Mn0.7-xTixO2(x=0，0.1，0.2)正极材料。对Na+/Vacancy有序分布的Na0.67Ni0.3Mn0.7O2材料进行不同含量的钛元素取代，通过循环伏安曲线和电化学测试，并加以选区电子衍射(SAED)表征，发现P2相层状材料中Na+/Vacancy的占位分布不仅与取代金属理化性质和取代量有关，而且过多的金属取代会导致有序分布的超结构再现。基于此规律，得到了无序材料P2-Na0.67Ni0.3Mn0.6Ti0.1O2，其在1C的倍率下循环200圈依日保持着80mAh/g左右的容量。 (2)相变是伴随着层状材料中锂或钠离子脱嵌而产生的一种行为。相转变所带来的结构不可逆变化会使得电极材料在循环过程中极易出现颗粒粉化、晶体裂痕等现象，加之电解液与表面的副反应，从而导致材料容量衰减。通过对上述三种材料进行不同充放电状态下的球差校正的透射电镜(STEM)表征和不同循环圈数的透射电镜(TEM)表征以及电化学交流阻抗谱测试(EIS)，证实了高压下P2-Na0.67Ni0.3Mn0.6Ti0.1O2会形成一种高度可逆的中间相，同时钛的取代使得材料具有了更加稳定的表面，从而保证了材料在长循环过程中具有更高的容量保持率。 (3)由于P2相材料中钠含量较少，加之常用的碳材料负极存在首效限制，因此其在全电池中的应用仍然存在很大限制。基于文献调研，设计了一种层状氧化物材料P2-Na0.67Co0.35Fe0.15Mn0.45O2，由于该材料存在两个具有明显电势差的氧化还原区域，因此既可以作为正极也可以作为负极。作为正极材料时，平均电压约为2.8V，首周容量可达120mAh/g以上，0.5C下循环100圈容量保持在100mAh/g以上。作为负极材料时，平均电压约为1.3V，0.1C下循环200圈容量保持在90mAh/g以上。同时通过恒电流间歇滴定技术(GITT)，得知该材料的钠离子扩散系数为1.0×10-10cm2/s水平，明显优于O3相材料。以该材料作为正负极组装的对称全电池，平均电压约为1.5V，0.1C下可逆容量可达70mAh/g以上。 (4)与半电池不同，在全电池中，单位面积负极和正极的容量比(N/P)、电解液的种类、是否含有添加剂等都是影响全电池性能的重要因素。以P2-Na0.67Co0.35Fe0.15Mn0.45O2组装的对称全电池为研究对象，测定了其在不同N/P比下和三种电解液PC∶EC(1∶1)/NaClO4、PC(2％FEC)/NaClO4、PC(5％FEC)/NaPF6中的电化学性能。通过筛选，在N/P比约为1.6时，以PC(5％FEC)/NaPF6为电解液，该对称全电池性能达到最优，首周容量约为85mAh/g，50圈循环之后容量保持在70mAh/g以上。
钠离子电池;电极材料;P2相层状材料;制备工艺;电化学性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
曹达鹏
2019
中文
TM912;TM24:TM205.1
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）