O3型層狀氧化物正極材料的儲(chǔ)鈉性能研究.pdf

1、目前，在各種二次電池中，鋰離子電池因?yàn)榫哂休^高的能量密度和功率密度，被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電子設(shè)備中。但由于鋰資源有限且價(jià)格昂貴，所以限制了鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備中的應(yīng)用。因此需要尋找可替代的儲(chǔ)能體系來(lái)滿足電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)以及清潔能源產(chǎn)業(yè)的需求。相對(duì)鋰來(lái)說(shuō)，鈉資源在地殼中儲(chǔ)量豐富而且價(jià)格低廉，這使得鈉離子電池逐漸成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。層狀過(guò)渡金屬氧化物具有成本低、合成簡(jiǎn)單、容量高等優(yōu)點(diǎn)，是一類理想的鈉離子電池正極材料。其中，O3型過(guò)渡金屬

2、氧化物具有較高的初始容量，但循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能較差，限制了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。所以本文主要討論的內(nèi)容是，通過(guò)元素?fù)诫s的方法，來(lái)提高O3型層狀過(guò)渡金屬氧化物正極材料的電化學(xué)性能，并探究摻雜對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)的影響以及電化學(xué)性能改善的機(jī)理。本論文的主要研究結(jié)果如下：
　?。?）通過(guò)固相法制備出不同F(xiàn)含量的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2-xFx(x=0,0.005,0.01,0.02)材料，并探究了F元素對(duì)材料的電化學(xué)性能和結(jié)

3、構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜適量的F元素可以提高NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2材料的電化學(xué)性能。當(dāng)F元素?fù)诫s量為1％時(shí)，材料循環(huán)70圈后容量仍可以保持在110mAh g–1，在300mA g–1的電流密度下，仍能保持62.2mAh g–1的可逆容量。通過(guò)XPS、Raman、循環(huán)伏安等研究表明，F(xiàn)元素的摻雜提高了材料的導(dǎo)電性以及鈉離子的擴(kuò)散速率，同時(shí)還調(diào)節(jié)了材料中Mn3+/Mn4+的相對(duì)含量，既抑制了Mn3+引起的Jahn-Tel

4、ler效應(yīng)又發(fā)揮了Mn4+維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，從而提高了O3-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2的電化學(xué)性能。
　　（2）通過(guò)固相法合成NaNi0.5Mn0.5O2材料，摻雜不同含量的Mg元素。由于Mg是非活性的元素，進(jìn)入晶格以后會(huì)取代Ni的位置，這就導(dǎo)致?lián)诫sM g元素后的材料的初始容量會(huì)有所降低，但循環(huán)性和倍率性能都顯著提高。在2.0–4.2V的電壓范圍內(nèi)測(cè)試其電化學(xué)性能時(shí)，在240mAg-1的電流密度下，NaNi0.4Mg

5、0.1Mn0.5O2的初始放電容量為108.2mAh g–1，循環(huán)150圈后，放電比容量可以保持在72.9mAhg–1；在1440mA g–1的大電流密度下，放電比容量仍為75mAh g–1。將充放電電壓范圍擴(kuò)大到2.0–4.4V時(shí)，NaNi0.4Mg0.1Mn0.5O2仍具有良好的電化學(xué)性能，在480mA g-1電流密度下，該材料的初始容量為139.2mAh g–1,循環(huán)100圈后，容量仍為80.9mAh g–1。這是因?yàn)镸g元素的加