聚阴离子型钠离子电池正极材料的制备及电化学性能研究

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聚阴离子型电极材料结构稳定、理论容量高、安全性好,是最有发展潜力的一类正极材料。但此类材料的电子电导率较低,严重限制了其电化学性能。本文从氟磷酸铁钠、氟磷酸锰钠和磷酸钒钠着手,通过优化合成方法、构筑特殊结构、表面复合导电材料等方式对材料进行改性研究,以最大限度地提高其电化学性能,主要内容包括以下几方面:分别采用两步反应法(溶剂热法结合高温煅烧)和一步溶剂热反应法制备了碳包覆氟磷酸铁钠(Na2FePO4F/C)粉末,探究了两步反应法中前驱体溶液的pH值以及一步反应法中溶剂热反应时间对Na2FePO4F/C结晶度、形貌以及电化学性能的影响规律,实现了高性能Na2FePO4F/C材料的可调控制备。当SDS的浓度为5 mmol时,反应时间从8 h延长到16 h和24 h的过程中,Na2FePO4F/C从海胆状空心球结构转变为刺球状空心球结构最终转变为双壳空心球结构。根据Na2FePO4F/C形态随反应时间演变的实验结果,提出了一个合理的成核-溶解-再结晶机制,解释了双壳空心球Na2FePO4F/C复合材料的形成机理,双壳空心球结构的Na2FePO4F/C在0.1 C下可逆比容量为120.1 mAh g-1。将双碳(碳包覆和石墨烯)与Na2MnPO4F纳米颗粒相结合,通过水热法合成了Na2MnPO4F/C@rGO复合材料,葡萄糖裂解为无定形碳沉积在Na2MnPO4F颗粒表面,在Na2MnPO4F和石墨烯之间起到桥连作用,形成二维“纳米颗粒-导电网络”的结构,明显改善了电子和离子导电性以及电化学反应的连续性。Na2MnPO4F/C@rGO在0.05 C下,可逆放电比容量为122.3 mAh g-1,在2 C的较高电流密度下,放电比容量仍为45 mAh g-1。研究表明,Na2MnPO4F/C@rGO复合材料的容量主要来自于赝电容行为,随着扫描速率的增大,Na2MnPO4F/C@rGO电极中赝电容电荷储存贡献也随之增加。以SDS充当表面活性剂和部分碳源,利用简单的水热法,合成了同时存在微孔、介孔和大孔的三维分级多孔结构的碳包覆磷酸钒钠(NVP/C-T)。三维分级多孔结构赋予NVP/C-T复合材料较大的比表面积和孔隙率,能够加大反应活性面积,有利于电解液的存储和钠离子的快速传输,超薄的NVP/C-T纳米片缩短了离子和电子的转移路径,并提高了材料整体的电子导电性和电化学反应的连续性。NVP/C-T复合材料表现出较好的倍率性能(即使在80 C的超高倍率下,NVP/C-T仍保持73.2 mAh g-1的高比容量)和循环稳定性(在20 C的较高电流密度下进行了8000次的超长循环后仍保持93.3 mAh g-1的比容量)。通过真空浸渍结合热处理方法制备了氮掺杂三维石墨烯气凝胶负载核壳结构的磷酸钒钠复合材料(NVP@C/N-GA)。表面碳层和N-GA共同构建了一个3D导电模型,不仅能提供3D有效的导电网络,利于电荷快速转移,也能有效缓解Na+嵌入和脱出过程中的体积变化。NVP@C/N-GA复合材料在200 C的高倍率下,仍具有51.2 mAh g-1的比容量并在20 C的较高电流密度下进行了10000次超长循环后仍保持81.4 mAh g-1的比容量。
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