NaxNiyMnzO2鈉離子電池正極材料研究.pdf

1、隨著能源問題的日漸嚴峻,開發(fā)太陽能、風能等可持續(xù)能源成為熱點。但是由于這些能源本身不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點,需要建立與之配套的儲能電站。鈉離子電池具有價格低、來源廣、安全性高的優(yōu)點,在電化學儲能方面有很大的應用潛力。開發(fā)新型鈉離子電池以滿足儲能需求成為目前研究的一個熱點。
　　本文采用噴霧干燥技術(shù)結(jié)合兩步固相煅燒法制備層狀嵌鈉過渡金屬氧化物NaxNiyMnzO2。通過XRD、SEM、ICP等手段對材料進行物理表征,通過循環(huán)伏安、恒流充

2、放電等電化學表征手段研究其電化學性能。同時,通過改變煅燒溫度和煅燒時間,探索了制備工藝對于NaNi1/2Mn3/2O4形貌和電化學性能的影響。
　　我們首先研究了NaNi1/2Mn3/2O4材料,探索了合成方法、制備工藝條件對于NaNi1/2Mn3/2O4材料形貌和電化學性能的影響。我們發(fā)現(xiàn)在原料金屬離子比為Na:Ni:Mn=2:1:3的情況下,最終得到的材料金屬離子比為 Na:Ni:Mn=1.88:1.05:3.00,高溫煅燒會

3、導致部分金屬鈉揮發(fā)。材料XRD圖譜與標準PDF卡片54-0894很好的相符對應的物相為Na2/3Ni1/3Mn2/3O2,但是XRD圖譜中也能發(fā)現(xiàn)NiMn2O4的雜質(zhì)峰。SEM照片顯示,制備得到的材料是有良好結(jié)晶度的多邊形片層結(jié)構(gòu)化合物。在1.6-3.8V、2.0-4.0V、2.0-4.5V三個不同的電壓區(qū)間內(nèi)對材料的電化學性能進行研究。結(jié)果表明,當充電電位達到4.5V時,材料發(fā)生P2結(jié)構(gòu)向O2結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,并引發(fā)晶體結(jié)構(gòu)不可逆的破壞,導

4、致材料循環(huán)穩(wěn)定性迅速衰退。而在低電位下循環(huán)由于材料過多的嵌入鈉離子同樣也會引起循環(huán)性能下降,但是衰退速度較慢。
　　對材料制備工藝的探究過程中,我們發(fā)現(xiàn),在700℃下煅燒材料并不能形成完整的晶型,混雜有較強的Na0.25MnO2的雜質(zhì)峰及其他未知的衍射峰;最低在800℃下煅燒才能形成目標結(jié)構(gòu);高于900℃煅燒時雜質(zhì)衍射峰減少。電化學測試表明,三個不同煅燒溫度下材料電化學行為基本一致。但是800℃下煅燒的材料具有更好的性能。在不同時

5、間煅燒的情況下,6小時煅燒情況下材料并不能形成完整的晶體,8小時煅燒可以得到目標結(jié)構(gòu),當煅燒時間延長到12小時時,SEM圖中觀測到的顆粒增加,片層結(jié)構(gòu)減少,進一步延長到16小時,觀察到的片層結(jié)構(gòu)進一步減少。電化學特性表明,8小時煅燒的材料具有最高的比容量及最好的循環(huán)穩(wěn)定性。因此最優(yōu)的制備工藝條件為800℃下煅燒8小時。
　　最后我們調(diào)整金屬離子比例,制備了Na2/3Ni1/3Mn2/3O2正極材料。最終材料中的金屬離子比例為Na:

6、Ni:Mn=1.90:1.05:2.00。XRD結(jié)果與Na2/3Ni1/3Mn2/3O2標準卡片PDF:54-0894吻合很好,但是仍舊存在有雜質(zhì)相。SEM表征顯示材料為多邊形片層結(jié)構(gòu),片層厚度在0.3 um左右。對材料的充放電曲線研究發(fā)現(xiàn),在3.31V、3.70V、4.25V處有明顯的充電平臺。與第一部分實驗的結(jié)論一致:高電壓下材料發(fā)生P2結(jié)構(gòu)與O2結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,引發(fā)材料結(jié)構(gòu)的不可逆破壞,容量衰減迅速;低電位下嵌入鈉離子過多同樣影響循環(huán)