锰基正极材料的制备及其储钠性能研究

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近几年,手机、笔记本电脑等已经成为我们日常生活中不可或缺的部分,这些便携式设备的使用都离不开锂离子电池的支持。然而地球上锂资源储量有限使得锂离子电池很难满足未来更大范围的储能需求。相比于锂,钠资源地球储量丰富、成本低且其与锂处于同一主族,两者具有很多相似的性质,因此,钠离子电池是一种很有发展前景的新一代储能电池,能很好地替代锂离子电池。如今,钠离子电池已成为广大储能研究者的研究热点。正极材料在钠离子电池发展中起着关键性的作用,其中具有相对高的容量、高的工作电压、成本低、环境友好及资源丰富等优势的锰基正极材料被认为是一种很有前景的正极材料。然而,由于钠离子本身半径大及锰基正极材料本身的一些缺陷,使得锰基正极材料还存在电化学性能不佳等问题。尤其在高电压及高电流密度下,这些问题会更加突出。本文从包覆策略、制备工艺、结构特点及电化学性等方面去系统地研究锰基正极材料。(1)首先通过传统固相法制备了具有三维S型隧道结构的Na0.44MnO2亚微米棒,并分析了其在宽电压范围(2-4.5 V)内电化学性能差的原因。然后,使用不同量的Al2O3对其进行包覆。研究结果表明2 wt.%Al2O3包覆的Na0.44MnO2在高截止电压(4.5 V)下展现了最优秀的电化学性能,在0.4 C倍率下可获得109.8 mAh g-1的首次放电比容量,循环200圈后,可获得高达93.2%的容量保持率。在高倍率8 C下,仍可获得97.1 mAh g-1的高放电容量,这些电化学性能远优于未包覆的Na0.44MnO2电极材料。说明了适量Al2O3的包覆提高了Na0.44MnO2电极材料在宽电压范围(2-4.5 V)内的电化学性能。(2)首次采用湿化学法制备了六方晶型的P2型Na0.7MnO2.05正极材料,并使用不同量的AlPO4对其进行表面包覆。研究结果表明,5 wt.%AlPO4包覆的Na0.7MnO2.05材料展现了最优秀的储钠性能。在1 A g-1高电流密度下,具有103.9mAh g-1的放电容量,100圈后容量仍可保持96 mAh g-1,容量保持率高达92.4%,这远高于未包覆材料62.4%的容量保持率。说明了适量AlPO4包覆显著提高了Na0.7MnO2.05正极材料的循环稳定性。(3)用溶胶凝胶法制备了(2×3)矩形隧道结构的Na0.4MnO2(Na2Mn5O10)正极材料。并首次研究了它在不同电压范围(2-4 V和2-4.5 V)内的储钠性能。研究结果表明在更宽电压范围(2-4.5 V)内,Na0.4MnO2电极材料在0.1 C下,不仅具有高的首次放电容量110.3 mAh g-1,同样也表现了良好的循环稳定性(循环100圈后可维持86.6%的容量保持率)和不错的倍率性能(在4 C时,具有79.3 mAh g-1放电容量)。这优于2-4 V内的电化学性能。因此,Na0.4MnO2电极材料是一种很有前景的正极材料,能够承受住更高的截止电压(4.5 V)。
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