论文部分内容阅读
由于全球锂资源无法满足锂离子二次电池需求的进一步增加,开发廉价、安全的相关替代储能技术非常关键。钠元素在地壳中的储量丰富、分布广泛、成本低廉。且钠离子电池的工作原理与锂离子电池非常相似。目前,能否开发性能优异的正极材料是钠离子电池能否进一步得到发展的关键因素。本文采用使用新型水性粘结剂、形貌调控、离子掺杂等方法,提高层状过渡金属氧化物和磷酸钒钠正极材料性能。将黄原胶(XG)、海藻酸钠(SA)、瓜尔豆胶(GG)作为粘结剂用于P2型Na2\3Mn2\3Ni1\3O2正极材料。3种水性粘结剂都给出了优于PVDF的性能。其中使用XG作为粘结剂电极电性能最优异,当电流密度为40 mA g-1时,电池在80次循环后仍能保有115.9 mAh g-1的容量,对应容量保持率77.6%,当电流密度为100 mA g-1时,300个充放电循环后的容量为75.4 mAh g-1,对应容量保持率87%。分析表明XG具有最优的电化学性能源于:(1)XG溶液具有最高粘度,(2)XG作为粘结剂使电极具有更大的离子扩散系数,(3)XG作为粘合剂抑制了的电极材料表面过渡金属流失,(4)XG粘合剂的在电化学循环中能更有效的保持完整的导电网络。分别使用固相法、溶胶凝胶法结合水热法合成了Na3V2(P04)3正极材料,材料为直径在1-2.5 μm的规则圆球。而传统固相法合成Na3V2(PO4)3材料形状不规则,颗粒粒径较大,传荷阻抗大,钠离子扩散系数小。电化学性能表征显示,采用溶胶凝胶水热法合成的Na3V2(P04)3材料展现出了很高的可逆容量和非常优异的长循环性能,在1 C的电流密度下循环1000圈后保留着85.7 mAh g-1的放电容量。采用Co参杂对固相法合成Na3V2(PO4)3材料性能进一步提高。由于Co2+与V3+的离子半径相近,Co的掺入并未对材料的晶格参数产生明显的影响。但随Co掺入量的增加大,材料颗粒表面逐渐变得粗糙,材料出现了一一定的团聚现象。当Co掺入量为0.1时,Na3V2-xCox(PO4)3材料传荷阻抗最小,钠离子扩散系数最大,表现出最优异的电化学性能,在1C 下循环250圈后可逆容量为97.5 mAh g-1。本论文的结果显示,黄原胶具有天然、无毒、廉价的特点及不输于传统PVDF粘结剂的物理、化学性质,实验发现,将其应用于钠离子电池正极材料中能有效缓冲材料在充放电过程中的结构变形和减少金属离子流失,从而有效提高材料的电化学性能。另外,通过改进合成手段来缩小Na3V2(PO4)3材料尺寸,规范材料粒径,与对材料进行离子掺杂都能有效提高材料导电性从而提高其在电化学系统中的表现。