NaxNiyMnzO2鈉離子電池正極材料研究.pdf

1、隨著能源問題的日漸嚴(yán)峻,開發(fā)太陽能、風(fēng)能等可持續(xù)能源成為熱點(diǎn)。但是由于這些能源本身不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn),需要建立與之配套的儲(chǔ)能電站。鈉離子電池具有價(jià)格低、來源廣、安全性高的優(yōu)點(diǎn),在電化學(xué)儲(chǔ)能方面有很大的應(yīng)用潛力。開發(fā)新型鈉離子電池以滿足儲(chǔ)能需求成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　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(duì)材料進(jìn)行物理表征,通過循環(huán)伏安、恒流充

2、放電等電化學(xué)表征手段研究其電化學(xué)性能。同時(shí),通過改變煅燒溫度和煅燒時(shí)間,探索了制備工藝對(duì)于NaNi1/2Mn3/2O4形貌和電化學(xué)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(duì)于NaNi1/2Mn3/2O4材料形貌和電化學(xué)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(huì)

3、導(dǎo)致部分金屬鈉揮發(fā)。材料XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片54-0894很好的相符對(duì)應(yīng)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(gè)不同的電壓區(qū)間內(nèi)對(duì)材料的電化學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明,當(dāng)充電電位達(dá)到4.5V時(shí),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(dǎo)

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(huì)引起循環(huán)性能下降,但是衰退速度較慢。
　　對(duì)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(qiáng)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(biāo)結(jié)構(gòu);高于900℃煅燒時(shí)雜質(zhì)衍射峰減少。電化學(xué)測試表明,三個(gè)不同煅燒溫度下材料電化學(xué)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(shí)

5、間煅燒的情況下,6小時(shí)煅燒情況下材料并不能形成完整的晶體,8小時(shí)煅燒可以得到目標(biāo)結(jié)構(gòu),當(dāng)煅燒時(shí)間延長到12小時(shí)時(shí),SEM圖中觀測到的顆粒增加,片層結(jié)構(gòu)減少,進(jìn)一步延長到16小時(shí),觀察到的片層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減少。電化學(xué)特性表明,8小時(shí)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(shí)。
　　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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(tái)。與第一部分實(shí)驗(yàn)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)