高性能钠离子电池层状材料的研究

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钠元素在地壳中含量十分丰富,分布均匀,且拥有与锂相似的物理和化学性质,钠离子电池逐渐成为大规模储能领域的研究热点。然而钠离子的半径和质量都比锂离子大,造成电池能量密度下降、钠离子传输困难以及材料的稳定性差。因此,研究和开发高性能的电极材料是促进钠离子电池快速发展的关键因素。相比于合金型和转换型负极材料而言,基于嵌入反应的层状材料Na0.66Li0.22Ti0.78O2拥有更好的循环性能,并且其具有资源丰富、结构稳定和安全无毒等优点。因此,Na0.66Li0.22Ti0.78O2是负极中非常具有应用前景的一类材料。但是其首周库伦效率通常低于60%,造成电池容量在首圈后出现大幅下降,而电解液分解是导致其首周库伦效率低的一个重要因素。因此,十分有必要探究电解液对Na0.66Li0.22Ti0.78O2电化学性能的影响。在钠离子电池正极材料中,层状过渡金属氧化物NaNiO2有高可逆容量、高电势以及合成工艺简单等优点而受到广泛研究。但是其在充放电过程中,很容易发生过渡金属层的滑移和结构的不可逆相变,导致其循环性能较差。因此,提高层状过渡金属氧化物循环性能和抑制不可逆相变显得尤为重要。基于以上背景,本文的研究内容如下:(1)为探究电解液对Na0.66Li0.22Ti0.78O2电化学性能的影响,通过改变电解液中溶剂、添加剂、钠盐以及电解液浓度,得到了一系列不同的电解液。然后对Na0.66Li0.22Ti0.78O2在不同电解液中的性能进行了研究,发现Na0.66Li0.22Ti0.78O2的首周库伦效率受电解液的影响十分明显。(2)针对NaNiO2在充放电过程中的不可逆相变,本文采用高温固相法合成出了Na0.7Ni0.35Sn0.65O2。由于层状过渡金属氧化物对合成条件十分敏感,我们讨论了不同球磨条件、烧结温度和时间以及冷却速率等因素的影响,发现在较高的转速、适量的钠源以及快速降温条件下能够合成出高性能的Na0.7Ni0.35Sn0.65O2。电化学性能测试表明Sn掺杂取代后抑制了多重相变,并且该材料具有3.7 V的平均电压。
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