镁基化合物对钠离子电池Na0.44MnO2正极材料的表面改性研究

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近年来随着锂资源的不断匮乏,钠离子电池有望替代锂离子电池成为下一代商用化二次电池。钠和锂位于元素周期表中同一个主族,具有类似的物理和化学性质,且钠元素为地球上分布最广泛的元素之一,制备钠离子电池使用的原料易于获得且成本低廉。但是由于钠离子的半径较大,电池在充放电循环过程因钠离子脱出/嵌入会使晶体结构出现畸变,从而使材料的容量快速衰退。因此,寻找结构稳定、有利于钠离子传输的正极材料是目前钠离子电池研究重点之一。具有独特隧道型结构的钠离子正极材料Na0.44MnO2,在钠离子脱嵌过程中可以很好的稳定结构、同时有利于钠离子的输运,是钠离子电池电极材料的研究热点。然而,Na0.44MnO2在充放电过程中还存在以下几点问题:(1)在首周充电过程中,材料与电解液发生严重的副反应,产生CEI膜(正极/电解质界面相)的同时消耗大量的可逆容量;(2)和锰基过渡金属氧化物正极材料一样,在循环过程中Na0.44MnO2中的Mn3+离子会发生Jahn-Teller效应,使材料晶格发生畸变;(3)为了推进钠离子电池实现商业化进程,提高其电化学窗口也迫在眉睫;(4)Na0.44MnO2材料的电子电导率不理想(10-6 S cm-1左右),限制了其电化学性能的发挥。为了解决上述问题,进一步改善Na0.44MnO2正极材料的物理性质和电化学性能,体相掺杂和表面包覆是目前采用较多的研究手段。体相掺杂主要通过引入其它金属离子替换Mn离子位置的方式抑制相转变过程,从而提高结构的稳定性;表面包覆在不改变体相结构的前提下,包覆层的隔层作用避免了正极材料与电解液的直接接触,可以有效的减少表面的副反应、达到抑制颗粒表面CEI膜生长的作用,但是已有表面包覆的研究主要集中在低截止电压下。因此,本论文采用镁基化合物MgF2和Mg3(PO42对钠离子电池Na0.44MnO2正极材料进行表面改性研究,表面包覆层在保持Na0.44MnO2隧道结构的同时提升其在高电压窗口下的电化学性能。首先,通过熔盐法制备隧道型Na0.44MnO2,之后分别采用MgF2和Mg3(PO42对其进行表面包覆改性,具体工作如下:1.通过简单的湿化学法在隧道型Na0.44MnO2材料的表面包覆了一层不同含量的MgF2(1 wt.%,2 wt.%和3 wt.%)。X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等物理表征证实包覆层并不改变原始材料的体相和表面结构。恒电流充放电循环、倍率测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)等电化学测试结果表明经过MgF2包覆改性后电化学性能显著提升。在2.0-4.5 V高电压窗口下,2 wt.%MgF2的包覆量的样品经60周循环后,可逆比容量为88.8 m Ah g-1,保持率为86.5%,而原始材料仅有68.3 m Ah g-1的可逆容量和71.8%的保持率。MgF2包覆层不仅抑制了Mn3+离子的Jahn-Teller效应,稳定了电极材料表面结构,同时抑制了电化学循环过程中的表面副反应及CEI膜的生长。2.使用相同的湿化学法对Na0.44MnO2表面进行了不同含量Mg3(PO42(磷酸镁)的包覆(2 wt.%、3 wt.%、4 wt.%)。通过对比包覆前后的正极材料的物理表征(XRD、SEM、TEM、XPS等)和电化学表征(长循环、倍率、CV、EIS等)结果,证实包覆后的材料体相结构保持良好,表面随包覆量的增加逐渐变得粗糙,3 wt.%作为最优包覆量不仅起到抑制CEI膜生长的作用,同时对循环过程中复杂的相转变有抑制作用,从而提高循环过程中体相结构的稳定性,提高了容量的可逆性。
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