【摘要】：由于鈉離子電池高安全性和低成本的獨特優(yōu)勢,隨著對大規(guī)模儲能系統(tǒng)需求的不斷增長,鋰離子電池將在大規(guī)模儲能領(lǐng)域被鈉離子電池所取代。然而,短的循環(huán)壽命和差的倍率性能限制了鈉離子電池未來的商業(yè)應(yīng)用。在鈉離子電池的組成中,正極材料被認為是鈉離子電池至關(guān)重要的組成部分,對鈉離子電池的電化學性能具有相當重要的影響。而在眾多正極材料中,錳鎳基層狀氧化物由于高工作電壓和高容量受到了廣泛關(guān)注。然而,空氣中的不穩(wěn)定性和不令人滿意的循環(huán)性能限制了它們的應(yīng)用。針對錳鎳基層狀氧化物作為鈉離子電池正極材料所面臨的問題,本文通過元素取代和涂層包覆的策略改善了錳鎳基層狀氧化物的電化學性能,本文的創(chuàng)新策略主要如下:(1)通過水熱反應(yīng)和高溫退火處理合成了具有高電化學性能的Co部分取代的O3-NaMn_(2/3)Co_(1/6)Ni_(1/6)O_2層狀氧化物電極材料。所制備的樣品材料具有均勻的球形形貌,當在0.1 C的電流密度下循環(huán)時,材料表現(xiàn)出153.6 mAh g~(-1)的初始可逆容量,在100次充放電循環(huán)后的容量保持率約為81.7%,其平均庫侖效率為98%。此外,該電極材料還具有優(yōu)異的倍率性能,在1 C的電流密度下充放電時可逆容量達到91.6 mAh g~(-1)。材料優(yōu)異的電化學性能源于Co的取代減少了過渡金屬層的金屬陽離子混排,提高了Na~+的擴散速率。此外材料的O3-O1的相變被有效抑制,材料的循環(huán)性能得以改善。(2)采用水熱反應(yīng)和隨后的低溫燒結(jié)過程合成了氟和硼兩種非金屬元素分別摻雜的新型P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2正極材料。由于材料特殊的晶相,P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能,其在0.1 C的電流密度下初始放電比容量為156.3 mAh g~(-1),并且在0.2 C的電流密度下100個循環(huán)后仍有75.1%的容量保持率。作為對比,非金屬元素摻雜的P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2電極材料則表現(xiàn)出更好的電化學性能。其中氟摻雜的Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)F_(0.1)O_(1.9)在0.1 C時提供165 mAh g~(-1)的可逆容量,由于氟摻雜可以明顯抑制P3-O1相變,因此電極材料顯示出更好的循環(huán)壽命。而硼摻雜的Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)B_(0.1)O_2電極材料從P3相轉(zhuǎn)變?yōu)楦�(wěn)定的P2相,并且硼摻雜可以有效抑制氧陰離子的氧化還原,因此Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)B_(0.1)O_2表現(xiàn)出顯著改善的循環(huán)壽命和倍率性能。(3)為了獲得循環(huán)穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性俱佳的錳鎳基層狀氧化物,采用AlPO_4和Mg_3(PO_4)_2作為保護涂層來改善P3-Na_(0.65)Mn_(0.75)Ni_(0.25)O_2的電化學性能。金屬磷酸鹽涂層通過共沉淀的途徑均勻地包覆在原始顆粒的表面。通過電化學性能測試結(jié)果表明,兩種金屬磷酸鹽包覆改性的樣品均顯示出明顯改善的循環(huán)性能,在0.2C的電流密度下的100個循環(huán)后容量保持率都約為93%。另外將電極材料在空氣中暴露后,金屬磷酸鹽涂層包覆的樣品仍能保持高的電化學活性。
【圖文】：

圖 1.1 電池結(jié)構(gòu)示意圖：(a) 鈉/硫電池，(b) ZEBRA 電池子電池的工作原理池與鋰離子電池的工作原理相類相似，是通過鈉離子和正極之間的穿梭轉(zhuǎn)移進行充放電工作的二次電池[15中采用具有層狀結(jié)構(gòu)的 NaMnO2層狀氧化物和硬碳分的活性物質(zhì)進行充放電機理闡述。在電池充電過程中2中脫出，在穿過電解液與隔膜孔通道后插入到負極的電化學勢要高于正極，電能轉(zhuǎn)化為化學能而被儲存，極。當充電完成，正極是缺鈉狀態(tài)，而負極則是富鈉程完全相反，，鈉離子會從從負極脫出，然后再次回到成電能。其充放電機理如圖 1.2 所示，電極反應(yīng)方程正極反應(yīng)：NaMnO2→ Na1-xMnO2+ xNa++ xe-負極反應(yīng)：xNa++ nC + xe-→ NaxCn

NaMnO2和硬碳分別作為正極和負極材料的鈉離子電池正極材料簡述料是鈉離子電池至關(guān)重要的組成部分，它決定了[16]。因此，研發(fā)性能優(yōu)異和價格低廉的正極材料鍵。對于正極材料綜合性能的評判標準主要包括液的適配性，電子與離子導(dǎo)電率，鈉離子擴散速及綠色環(huán)保等方面。經(jīng)過長時間的科學研究，目下幾種類型：過渡金屬氧化物 NaxMO2(M = 過普魯士藍類似物以及有機化合物[17-20]。圖 1.3 是的放電容量與能量密度的對比圖。
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ131.12;TM912

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 仝靜波;日本《陶瓷》 Vol.94,№1,1986 特集:非氧化物材料[J];硅酸鹽通報;1988年04期

2 史可順;高技術(shù)陶瓷在耐火材料方面的應(yīng)用[J];江蘇陶瓷;1988年02期

3 ;紡織機器的燒結(jié)氧化物材料[J];上海紡織科技動態(tài);1975年04期

4 程璐;所艷華;張微;汪穎軍;;三元復(fù)合氧化物的制備及應(yīng)用研究進展[J];化工進展;2017年12期

5 虞自由;侯新梅;周國治;;高溫含水條件下非氧化物材料的反應(yīng)行為[J];有色金屬科學與工程;2012年01期

6 沈容;王聰;王天民;;新型“負熱膨脹”氧化物材料[J];材料導(dǎo)報;2001年08期

7 ;新研制氧化物材料擁有“形狀記憶”[J];分析測試學報;2013年12期

8 張金星;;新研制氧化物材料擁有“形狀記憶”[J];功能材料信息;2013年Z1期

9 郭小勇;;納米涂覆鈷鋰氧化物材料在津?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)[J];功能材料信息;2009年04期

10 相文峰,顏雷,談國太,郭海中,劉麗峰,呂惠賓,周岳亮,陳正豪;硅基集成電路的發(fā)展和新一代柵極氧化物材料的研究現(xiàn)狀[J];物理;2003年04期

相關(guān)會議論文 前10條

1 韓笑yN;王軍;程海峰;邢欣;;熱電氧化物材料研究現(xiàn)狀[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學術(shù)會議論文集（第2分冊）[C];2010年

2 胡季帆;;氧化物材料器件中的電致電阻與電控磁研究進展[A];2015中國功能新材料學術(shù)論壇暨第四屆全國電磁材料及器件學術(shù)會議摘要集[C];2015年

3 馬北越;趙潔;于景坤;莊輝;韓文習;;利用天然原料合成Si基非氧化物材料的研究進展[A];第七屆(2009)中國鋼鐵年會論文集（上）[C];2009年

4 王聰;沈容;王天民;;氧化物材料Zr_(1-x)Hf_xW_2O_8各向同性負熱膨脹性能的研究[A];第四屆中國功能材料及其應(yīng)用學術(shù)會議論文集[C];2001年

5 王接喜;冷進;李艷;李滔;李新海;王志興;;噴霧熱解高效制備鋰離子電池材料及微結(jié)構(gòu)調(diào)控[A];2017儲能材料與能量轉(zhuǎn)換技術(shù)專題會議摘要集[C];2017年

6 孫彥民;郭秋雙;于海斌;南軍;張景成;李曉云;周鵬;夏繼平;;鈦硅復(fù)合氧化物及在加氫精制催化劑中的研究[A];第十六屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2019年

7 袁航空;崔新江;鄧友全;石峰;;NiAlO_x金屬復(fù)合氧化物常壓催化苯酚加氫反應(yīng)[A];“一帶一路，引領(lǐng)西部發(fā)展”——2017年中西部地區(qū)無機化學化工學術(shù)研討會論文摘要[C];2017年

8 馬北越;康健;黃文龍;厲英;于景坤;;非氧化物及其復(fù)合材料的合成與應(yīng)用研究進展[A];2012年全國冶金物理化學學術(shù)會議專輯（下冊）[C];2012年

9 張明生;尹真;吳興龍;陳強;馮瑞;;氧化物材料的相變和晶格振動的光散射研究[A];中國分析測試協(xié)會科學技術(shù)獎發(fā)展回顧[C];2015年

10 秦萱;�；�;;MOx(M=Ce,Co,Cu,Fe)與Sn的復(fù)合氧化物應(yīng)用于NO_x儲存研究[A];第十一屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學術(shù)會議論文集[C];2018年

相關(guān)重要報紙文章 前3條

1 記者劉其丕 李曉飛;納米涂覆鈷鋰氧化物材料獲天津市技術(shù)創(chuàng)新獎[N];中國有色金屬報;2010年

2 志飛;低溫制備納米非氧化物材料獲成功[N];中國有色金屬報;2002年

3 記者 李曉斌;挖掘特色優(yōu)勢 培強龍頭企業(yè) 努力爭當東部振興排頭兵[N];邯鄲日報;2011年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 婁帥鋒;鈮基氧化物的制備及電化學儲鋰行為研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

2 曹凱;富鋰錳基正極材料的制備、電極設(shè)計及其改性研究[D];中國科學技術(shù)大學;2018年

3 后小毅;鈷基雙金屬氧化物材料的制備及其儲鋰性能研究[D];蘭州大學;2019年

4 郭建輝;低熱還原主族—過渡金屬復(fù)合氧化物及其結(jié)構(gòu)與物性調(diào)控[D];中國科學技術(shù)大學;2018年

5 陳彬;尖晶石氧化物材料的形貌和結(jié)構(gòu)研究[D];中國科學院大學(中國科學院物理研究所);2018年

6 張勇;AB_2O_4、ABO_3復(fù)合氧化物的合成、表征與性質(zhì)[D];武漢大學;2004年

7 梁家和;低維氧化物納米結(jié)構(gòu)化學濕法合成、表征及性能研究[D];清華大學;2005年

8 雷麗文;鈣鈦礦型錳基氧化物的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究[D];武漢理工大學;2006年

9 謝興華;含鋰納米復(fù)合氧化物爆炸合成[D];大連理工大學;2007年

10 馬雪婧;基于多氧化態(tài)金屬的氧化物的贗電容及其器件[D];蘭州理工大學;2017年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 姜欣宇;錳基氧化物/碳復(fù)合材料的制備及其鋰電性能研究[D];燕山大學;2019年

2 王譽;錳鎳基層狀氧化物鈉離子電池正極材料的制備及改性研究[D];湘潭大學;2019年

3 劉麗平;磁性基三元金屬復(fù)合氧化物的制備及對水中As （Ⅴ）的吸附去除效果研究[D];南京農(nóng)業(yè)大學;2017年

4 黃賢凱;不同導(dǎo)電助劑對富鋰錳基層狀氧化物電極性能影響研究[D];北京有色金屬研究總院;2019年

5 張金宇;錳鈮復(fù)合氧化物基鋰離子電池負極材料的制備及電化學性能的研究[D];哈爾濱工程大學;2019年

6 王建燕;鐵銅錳復(fù)合氧化物的制備、顆�；捌鋵ι槲叫阅苎芯縖D];中國科學院大學(中國科學院煙臺海岸帶研究所);2019年

7 王海清;話筒狀鈷鉬氧化物的合成及其電化學應(yīng)用[D];廈門大學;2018年

8 王亞男;U(Ⅵ)、Sr(Ⅱ)Co(Ⅱ)在氧化物上的吸附性能研究[D];中國科學技術(shù)大學;2018年

9 李浩然;鐵基氧化物的制備與性能研究[D];河北工業(yè)大學;2016年

10 陶夢銘;鐵鎂氧化物負載胡敏酸對砷鎘的吸附及對其在水稻中含量的影響[D];浙江大學;2019年

本文編號：2630329