镍锰普鲁士蓝/石墨烯复合物钠离子电池正极材料的研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:officerkaka
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钠离子电池由于其原材料储量丰富,价格低廉非常适合在电动汽车和大规模储能等领域的应用,是储能领域的研究热点之一。探寻具有优异储钠性能的正极材料是钠离子电池发展的关键。普鲁士蓝类材料具有三维开框架结构和大的离子通道适合钠离子快速迁移,作为钠离子电池正极材料受到广泛的关注和研究。其中,普鲁士蓝类似物NaxMnFe(CN)6理论上可以实现两个电子的氧化还原反应,提供高达170 mA h g-1的理论放电比容量。但这类材料同时也存在着空位和配位水缺陷以及导电性差等问题,需进一步改善其结构与性能。本文通过溶液共沉淀法合成了原位复合石墨烯(RGO)钠离子电池正极材料Na2MnFe(CN)6/RGO和Na2NixMn1-xFe(CN)6/RGO,以期能够获得少的空位和晶格水缺陷并具有较高导电性的电极材料,取得了以下研究成果:(1)采用溶液共沉淀法合成了Na2MnFe(CN)6,在H+浓度为0.3 mol L-1,PVP添加量为0.8 g时合成的样品具有规整的立方块形貌和较好的结晶性。在此基础上原位复合石墨烯得到了Na2MnFe(CN)6/RGO复合电极材料,通过这一方法,可以使石墨烯均匀包覆Na2MnFe(CN)6颗粒,石墨烯提供快速的电子传输通道进而提高了复合电极材料的导电性。复合电极材料Na2MnFe(CN)6/RGO在20mA g-1的电流密度下首次放电比容量达到163 mA h g-1,首次库伦效率达到95%。在1000 mA g-1的大电流密度下进行充放电测试,其放电比容量仍可达到87 mA h g-1。复合电极材料的非原位X射线衍射分析结果表明,在充放电过程中Na2MnFe(CN)6/RGO存在菱方-立方结构的高度可逆相变。(2)用Ni2+对Na2MnFe(CN)6进行掺杂,使Ni2+部分取代晶格中与N键和的Mn2+,从而得到一系列不同Ni、Mn比例的Na2NixMn1-xFe(CN)6电极材料,并研究了不同Ni含量对产物形貌、结构和电化学性能的影响。当反应物NiCl2/MnCl2的摩尔比为1:4时,所得电极材料Na2NixMn1-xFe(CN)6的电化学性能最好,在20 mA g-1的电流密度下该产物的首次放电比容量为95 mA h g-1,第二次循环的放电比容量提升到118 mA h g-1,循环100次后保留容量为101 mA h g-1,这说明Ni2+的掺杂大大提高了电极材料的循环稳定性能。(3)在反应物NiCl2/MnCl2的摩尔比为1:4基础上,制备了石墨烯复合电极材料Na2NixMn1-xFe(CN)6/RGO。该电极材料具有面心立方结构,颗粒大小为300-400 nm,在20 mA g-1的电流密度下首次放电比容量可以达到120 mA h g-1,循环100次后容量保持率为96.7%,具有优异的循环稳定性能。在200、500 mA g-1的电流密度下,其首次放电比容量仍可达到107、98 mA h g-1,且库伦效率均在85%以上,表现出优异的倍率性能,即使在1000 mA g-1的大电流密度下放电比容量仍可达到85 mA h g-1
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