钠离子电池普鲁士蓝类正极材料的控制制备与构效关系研究

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钠离子电池资源和成本优势显著,有望成为下一代商业化电化学储能系统。PBAs(普鲁士蓝类材料)是目前最有应用前景的钠离子电池正极材料之一。晶体缺陷(结晶水和[Fe(CN)6]4-空位等)是影响PBAs结构稳定性的主要因素。螯合剂能有效降低[Fe(CN)6]4-空位含量,但添加量大,存在成本和环境问题。而结晶水对PBAs电化学性能的影响仍很大争议。针对上述问题,本文开展了反应物优化、结晶水作用机制分析和普鲁士蓝固相制备的研究,旨在探明结构缺陷(结晶水)和电化学性能的构效关系,提升PBAs的循环稳定性,发展环境友好的低成本制备方法。研究内容如下:(1)针对螯合剂的添加所引起的成本和环境问题,发展了以柠檬酸铁为铁源的无螯合剂法制备了较高结晶度的H-FeFe-PBA(柠檬酸铁为铁源)。高结晶度促进了PBA电化学性能的释放,H-FeFe-PBA的循环性能和倍率性能优于L-FeFe-PBA-1(FeCl3)和L-FeFe-PBA-2(FeCl3和等浓度柠檬酸三钠)。(2)针对结晶水和普鲁士蓝类正极材料电化学性能构效关系不明的问题,通过干燥条件精准调控了材料中间隙水的含量,单一探究了这一构效关系。结果表明,HW-PB(高水含量)、MW-PB(中等水含量)和LW-PB(低水含量)充放电过程中的体积变化率分别为5.54%、6.01%和7.37%。间隙水的存在缓解了PBA在Na+脱嵌引起的晶格畸变,HW-PB表现出更好的循环稳定性。(3)基于减缓反应速率能有效提升普鲁士蓝类材料晶体完整性的思路,提出了固相合成法制备较高结晶度的FeMn-PBA(Mn基普鲁士蓝类材料)。高结晶度保证了FeMn-PBA表现出较优的电化学性能。
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