P2相高倍率钠离子电池正极材料的结构设计和电化学性能研究

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P2相层状锰基钠离子电池正极材料由于其价格低廉、锰的低毒性、以及钠的广泛分布等优势,成为了国内外的研究热点。但其实际应用仍然受以下缺点的制约:由于充放电过程中的连续相变影响材料的循环可逆性以及钠离子在通道内的传输,从而影响材料的倍率和长循环性能。本文针对P2相层状正极材料的上述问题,利用掺杂和表面改性的方式,以提高材料的充放电能力以及高倍率下材料的可逆性。首先,我们制备了一系列P2-Na0.67MnO2阴极,通过调整不同的镍镁掺杂量(Na0.67Ni0.2-xMn0.8MgxO2),以实现实验范围内层间距的最大化并优化Na+/空位排序。因此,所制备的Na0.67Ni0.1Mn0.8Mg0.1O2表明在0.1 C条件下(1 C=180 mA g-1)具有193 mAh g-1的放电容量,甚至在8 C的高速率下也是如此,电池可以提供70 mAh g-1的容量。动力学分析表明Na+迁移率升高,这可以归因于Na+/空位有序性降低和Na层间距增大等因素。镍镁的共掺杂也增强了层状结构的稳定性,在100次循环后材料具有74.7%的容量保持率。通过在钠钴锰氧化物中掺入镧元素,成功制备了表面改性的镧掺杂钠离子电池正极材料,表面形成的固态电解质以及镧锰基与P2相材料之间形成的广泛的界面结构提升了材料的倍率性能,在20 C条件下,具有80.5 mAh g-1的特征容量。体相中的镧抑制材料充放电过程中的相变反应,提升了循环稳定性,300圈后容量保持率为66%。证明了镧的掺杂以及表面改性提升了P2相材料的电化学性能。
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