NASICON电极材料的结构设计与储能性质的研究

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钠/钾资源丰富、成本低廉,并且与锂同为碱金属元素,具有相似的物化性质。以钠/钾作为载流子,构筑二次电池与锂二次电池具有类似的工作原理,在大规模储能方面具有优异的应用前景。然而,钠/钾离子半径较大,在反应过程中宿主材料的体积变化巨大,容易造成宿主材料结构坍塌,致使循环寿命有限。此外,钠/钾离子在宿主晶体中扩散能力不足,造成宿主材料利用率低、倍率性能差等问题。因此,探索合适的宿主电极材料成为推动钠/钾离子二次电池发展的关键方向。钠超离子导体(NASICON)结构材料兼具稳定的框架结构、优异的离子电导率以及杰出的结构可塑性而备受瞩目。本论文以NASICON结构电极材料为研究主体,针对材料电子电导率低、理论比容量低、倍率性能差等问题,通过双碳改性、结构设计、形貌调控等方式,构筑并制备了多种具有卓越电化学性能的电极材料,并展示了其在规模储能领域的应用前景。首先,我们通过双碳修饰的策略,制备了Na4MnCr(PO4)3@C@r GO材料。通过引入柔性的还原氧化石墨烯抑制颗粒团聚、构筑导电网络,改善材料的动力学性质,提高了材料的倍率性能。其次,通过多金属协同策略,制备了Na4Mn Cr0.9Al0.1(PO4)3@C材料,利用材料多电子转移的优势实现高储钠比容量;通过Al掺杂增强了材料结构稳定性,提高材料的循环寿命;采用非原位X射线衍射(XRD)技术探究了材料储钠过程中的结构演变。最后,我们通过对材料晶体结构的设计、微观结构的调控,制备了多级结构的Ca0.5Ti2(PO4)3@C纳米复合材料,实现了稳定、快速的储钾性能。并通过构筑混合钾离子电容器,展示了该材料在规模储能领域的应用前景。本论文展开的工作,不仅从多种角度提高了NAISCON结构材料储能性能,同时展示了其在规模储能领域的巨大应用前景。
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