过渡金属(焦)磷酸钠在钠离子电池中的应用

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随着社会的发展与进步,人类对能源的需求也日益增加,锂离子电池因具有较高的能量密度和功率密度而广泛应用于各种移动设备和电子产品中。然而锂资源短缺以及价格的上涨,严重阻碍了锂离子电池的进一步发展。因此开发出低成本、高性能的储能系统迫在眉睫。地壳中钠的含量(2.74%)远大于锂,钠的标准电极电势(-2.71 V)与锂的(-3.04 V)很接近,且钠离子电池的工作电压可控,因此成为锂离子电池的有力代替者之一。钠离子电池正极材料主要包括过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝及其类似物以及有机化合物。聚阴离子化合物因其独特的开放框架结构、优异的热稳定性、合成简单且成本低等特点成为钠离子电池正极的理想材料。而聚阴离子化合物自身导电性相对较差,实际应用受到一定的限制。因此,提高聚阴离子材料的导电性以及电化学性能成为时下研究热点。此外,许多关于钠离子电池的研究主要集中于钠离子半电池,而对于全电池的研究则相对较少,为了促进钠离子电池的产业化生产,加快钠离子电池从实验室走向实际应用的脚步,对钠离子全电池的研究也刻不容缓。基于此,本论文旨在通过低成本方法合成钠离子电池正极材料,并探究其在钠离子全电池上的应用。主要研究内容与结果如下:1.通过简单的溶胶-凝胶法制备了三维蜂窝状碳包覆的Na7Fe4.5(P2O74纳米复合材料,并将其用作钠离子电池的正极材料。电化学结果表明,三维多孔Na7Fe4.5(P2O74@C纳米复合材料具有较高的的可逆比容量以及良好的倍率性能。且在1 C电流密度下经过100圈循环后,半电池依然有85%的容量保持率。此外,在全电池中,材料依然展现出优异的循环性能和稳定性。良好的电化学性能得益于多孔结构与碳包覆,三维分层孔状结构有利于电解液浸润以及钠离子的脱嵌,碳层的包覆可以保护材料结构并且提高材料的稳定性和导电性。2.通过简单的球磨法制备出Na3TiV(PO43@C纳米颗粒,并将其用于钠离子电池正极。半电池展现出大约115 mA h g-1的高可逆比容量,且具有良好的循环稳定性与倍率性能。此外,对材料进行了对称电池与全电池性能研究。在对称电池中,首圈具有可接受的容量,但稳定性太差,衰减很快。而在以预钠化的硬碳为负极的钠离子全电池中,初始比容量高达200 mA h g-1。整体而言,Na3TiV(PO43材料经过碳的包覆,提高了导电性,一定程度上提高了电化学性能,但材料自身的不稳定性造成其衰减与同类型材料相比依然较大。3.采用简单的湿磨法合成出具有优异电化学性能的Na2TiV(PO43@C材料,以液态电解质电池中100 mA g-1电流密度下达到90 mA h g-1的可逆比容量,并具有良好的循环稳定性和倍率性能。相比之下,准固态钠离子电池则表现出更好的电化学性能。电化学阻抗测试表明,准固态电池也拥有与液态电解质电池相当的动力学特性。此外,原材料来源广,环境污染小,有利于Na2TiV(PO43@C材料的大规模生产,本工作为固态钠离子电池的实际应用做出进一步探索。
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