O3型層狀氧化物正極材料的儲鈉性能研究.pdf

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

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用。所以本文主要討論的內容是，通過元素摻雜的方法，來提高O3型層狀過渡金屬氧化物正極材料的電化學性能，并探究摻雜對電極材料結構的影響以及電化學性能改善的機理。本論文的主要研究結果如下：
　?。?）通過固相法制備出不同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元素對材料的電化學性能和結

3、構的影響。實驗結果表明，摻雜適量的F元素可以提高NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2材料的電化學性能。當F元素摻雜量為1％時，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電性以及鈉離子的擴散速率，同時還調節(jié)了材料中Mn3+/Mn4+的相對含量，既抑制了Mn3+引起的Jahn-Tel

4、ler效應又發(fā)揮了Mn4+維持結構穩(wěn)定的優(yōu)勢，從而提高了O3-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2的電化學性能。
　?。?）通過固相法合成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，進入晶格以后會取代Ni的位置，這就導致?lián)诫sM g元素后的材料的初始容量會有所降低，但循環(huán)性和倍率性能都顯著提高。在2.0–4.2V的電壓范圍內測試其電化學性能時，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大到2.0–4.4V時，NaNi0.4Mg0.1Mn0.5O2仍具有良好的電化學性能，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。這是因為Mg元素的加