鈉離子電池正極材料Na x MnO 2 的制備及其電化學性能的研究
發(fā)布時間：2021-08-21 08:27
鈉元素由于與鋰元素化學性質相近,且地球儲量豐富,成本低,越來越成為研究熱點。然而,鈉離子的半徑較鋰離子大,在電極反應過程中對電極材料要求高,因此尋找合適的電極材料至關重要。在鈉離子電池正極材料中,層狀錳酸鈉材料具有電化學窗口較寬,理論容量高,成本低的優(yōu)點。但是,該材料導電性較差,高倍率電化學性能差,由于Jahn-Teller效應,錳離子在循環(huán)過程中不斷溶解導致材料循環(huán)性能差。本論文主要以錳酸鈉NaxMnO2為主要研究對象,探索了不同微觀形貌對其電化學性能的影響,并通過提高Na/Mn比例提高材料的容量和穩(wěn)定性,通過與導電聚合物形成復合材料來提高其電化學性能。主要的研究方法和結果如下:（1）以室溫下置換反應制備的MnCO3實心微球與KMnO4在酸作用下反應得到的MnO2空心微球為前驅體,與NaOH在高溫下煅燒得到尺寸均勻的Na0.7MnO2.05空心微球,再利用吡咯聚合得到聚吡咯包覆的Na0.7MnO2.0...
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：88 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
地球元素含量分布圖[12]
第一章緒論3池對于科研人員的強大吸引力以及它被廣泛看好的應用前景[18-21]。鈉離子電池發(fā)展中面臨最主要的問題之一，就是可容納半徑較大的Na的電極材料選擇，因此尋找合適的性能良好的正負極材料對電池的性能至關重要。在此前的研究工作中中，大量工作集中在具有高操作電壓以及能量密度的鈉離子電池新型電極材料的設計，制備和改性上，例如O3型和P2型層狀結構氧化物正極材料（NaXO2X=Co,Ni,Fe,Ti,Cr或以上過渡金屬元素的組合）[20,22-25]。此外，高性能鋰離子電池適用的納米結構電極材料很大程度上對鈉離子電池同樣適用，這對鈉離子電池電極材料的發(fā)展提供了基矗隨著研究工作的不斷加深，鈉離子電池將有希望成為下一代儲能系統(tǒng)的中流砥柱[26]。1.2鈉離子電池概述1.2.1鈉離子電池的組成及工作原理鈉離子電池由正極、負極和負責導離子/電子的電解液構成。通過之前研究者們的不懈努力，鈉離子電池的正負極材料候選不斷豐富，正極材料主要包括層狀過渡金屬化合物（NaxMO2M=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni），聚陰離子材料（NaFePO4,Na2FeP2O7,Na3V2(PO4)3，NaMnFe(CN)6等）以及有機正極材料。鈉離子電池負極活性材料則包括碳材料，金屬及合金基負極材料，氧化物基負極材料等。電解液分為水溶液，非水溶液和離子液體等，其中研究最多的是以鈉鹽NaClO4,NaPF6為溶質的有機電解液，溶劑通常為乙酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）等[3,27-31]。圖1.2鈉離子電池示意圖及其工作原理[12]Fig.1.2Schematicdiagramandworkingprincipleofsodiumionbattery.[12]
第一章緒論51.3.1過渡金屬氧化物正極材料1.3.1.1層狀過渡金屬氧化物這類層狀過渡金屬氧化物是近年來研究最為廣泛的鈉離子電池正極材料，它的一般公式為NaxMO2，由邊共邊的MO6八面體片組成，其中Na+離子位于MO6八面體片之間形成層狀結構。典型的層狀過渡金屬氧化物可分為兩種類型：O3型和P2型，分類取決于Na+周圍環(huán)境和氧層堆疊類型的數(shù)量，“O”或“P”表示Na+離子的八面體或三角棱柱配位環(huán)境，數(shù)字表示具有不同氧層重復堆疊單元的數(shù)量。O3和P2相晶體結構示意圖如圖1.3所示。由Na含量和動力學決定的相結構對電化學性能具有重要影響[4,24,52-55]。圖1.3P2和O3型層狀氧化物的框架結構[4]Fig.1.3StructureschemeofP2andO3layeredoxide.[4]一般來說，由于片層的滑動，在電化學循環(huán)過程中，O3和P2相都會經(jīng)歷一系列的相變。O3相通常經(jīng)歷以下相變：O3→P3→O3→P3。與O3相不同的是，P2相在Na+離子脫出后通過MO2片層滑移形成八面體位點，從而轉變?yōu)镺2相。P2相的結構比O3相更穩(wěn)定，因為P2相的相變伴隨MO6八面體的π/3旋轉和M-O鍵的斷裂。雖然O3相由于Na含量的增加通常表現(xiàn)出更高的容量，但是P2相以其良好的結構穩(wěn)定性和低擴散勢壘，往往表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。一般來說，相比與鋰離子電池，由于Na+離子半徑更大以及在不同Na含量
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Composites of sodium manganese oxides with enhanced electrochemical performance for sodium-ion batteries: Tailoring properties via controlling microstructure[J]. HUANG JiaJia,LUO Jian. Science China（Technological Sciences）. 2016(07)
[2]High-energy cathode materials for Li-ion batteries: A review of recent developments[J]. ZHANG YiDi,LI Yi,XIA XinHui,WANG XiuLi,GU ChangDong,TU JiangPing. Science China（Technological Sciences）. 2015(11)
本文編號：3355249
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：88 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
地球元素含量分布圖[12]
第一章緒論3池對于科研人員的強大吸引力以及它被廣泛看好的應用前景[18-21]。鈉離子電池發(fā)展中面臨最主要的問題之一，就是可容納半徑較大的Na的電極材料選擇，因此尋找合適的性能良好的正負極材料對電池的性能至關重要。在此前的研究工作中中，大量工作集中在具有高操作電壓以及能量密度的鈉離子電池新型電極材料的設計，制備和改性上，例如O3型和P2型層狀結構氧化物正極材料（NaXO2X=Co,Ni,Fe,Ti,Cr或以上過渡金屬元素的組合）[20,22-25]。此外，高性能鋰離子電池適用的納米結構電極材料很大程度上對鈉離子電池同樣適用，這對鈉離子電池電極材料的發(fā)展提供了基矗隨著研究工作的不斷加深，鈉離子電池將有希望成為下一代儲能系統(tǒng)的中流砥柱[26]。1.2鈉離子電池概述1.2.1鈉離子電池的組成及工作原理鈉離子電池由正極、負極和負責導離子/電子的電解液構成。通過之前研究者們的不懈努力，鈉離子電池的正負極材料候選不斷豐富，正極材料主要包括層狀過渡金屬化合物（NaxMO2M=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni），聚陰離子材料（NaFePO4,Na2FeP2O7,Na3V2(PO4)3，NaMnFe(CN)6等）以及有機正極材料。鈉離子電池負極活性材料則包括碳材料，金屬及合金基負極材料，氧化物基負極材料等。電解液分為水溶液，非水溶液和離子液體等，其中研究最多的是以鈉鹽NaClO4,NaPF6為溶質的有機電解液，溶劑通常為乙酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）等[3,27-31]。圖1.2鈉離子電池示意圖及其工作原理[12]Fig.1.2Schematicdiagramandworkingprincipleofsodiumionbattery.[12]
第一章緒論51.3.1過渡金屬氧化物正極材料1.3.1.1層狀過渡金屬氧化物這類層狀過渡金屬氧化物是近年來研究最為廣泛的鈉離子電池正極材料，它的一般公式為NaxMO2，由邊共邊的MO6八面體片組成，其中Na+離子位于MO6八面體片之間形成層狀結構。典型的層狀過渡金屬氧化物可分為兩種類型：O3型和P2型，分類取決于Na+周圍環(huán)境和氧層堆疊類型的數(shù)量，“O”或“P”表示Na+離子的八面體或三角棱柱配位環(huán)境，數(shù)字表示具有不同氧層重復堆疊單元的數(shù)量。O3和P2相晶體結構示意圖如圖1.3所示。由Na含量和動力學決定的相結構對電化學性能具有重要影響[4,24,52-55]。圖1.3P2和O3型層狀氧化物的框架結構[4]Fig.1.3StructureschemeofP2andO3layeredoxide.[4]一般來說，由于片層的滑動，在電化學循環(huán)過程中，O3和P2相都會經(jīng)歷一系列的相變。O3相通常經(jīng)歷以下相變：O3→P3→O3→P3。與O3相不同的是，P2相在Na+離子脫出后通過MO2片層滑移形成八面體位點，從而轉變?yōu)镺2相。P2相的結構比O3相更穩(wěn)定，因為P2相的相變伴隨MO6八面體的π/3旋轉和M-O鍵的斷裂。雖然O3相由于Na含量的增加通常表現(xiàn)出更高的容量，但是P2相以其良好的結構穩(wěn)定性和低擴散勢壘，往往表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。一般來說，相比與鋰離子電池，由于Na+離子半徑更大以及在不同Na含量
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Composites of sodium manganese oxides with enhanced electrochemical performance for sodium-ion batteries: Tailoring properties via controlling microstructure[J]. HUANG JiaJia,LUO Jian. Science China（Technological Sciences）. 2016(07)
[2]High-energy cathode materials for Li-ion batteries: A review of recent developments[J]. ZHANG YiDi,LI Yi,XIA XinHui,WANG XiuLi,GU ChangDong,TU JiangPing. Science China（Technological Sciences）. 2015(11)
本文編號：3355249
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