發(fā)布時(shí)間：2020-05-10 11:09

【摘要】：鈉離子電池具有鋰離子電池相似的儲(chǔ)能機(jī)理,且擁有良好的安全性、較低的成本、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢(shì),是一種有潛力的新一代儲(chǔ)能體系。然而,鈉離子較大的半徑使得其可逆充放電性能較差、比容量偏低以及倍率循環(huán)性能差,這些問(wèn)題都限制了鈉離子電池的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。因此開展提升鈉離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能的相關(guān)研究對(duì)于鈉離子電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展起著決定性的影響。在眾多被研究的鈉離子負(fù)極材料中,擁有三維開放式框架的鈉超離子導(dǎo)體型(NASICON)結(jié)構(gòu)的NaTi_2(PO_4)_3,由于其高的離子傳導(dǎo)性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性引起了人們廣泛的研究。但是這類材料較差的電子導(dǎo)電性,使得其倍率性能和循環(huán)性能不理想。本文將介孔NASICON型NaTi_2(PO_4)_3納米晶作為研究對(duì)象,采用金屬離子摻雜以及碳包覆的改性手段,對(duì)NaTi_2(PO_4)_3儲(chǔ)鈉性能的增強(qiáng)開展相關(guān)研究工作。主要內(nèi)容如下:(1)通過(guò)溶劑熱法和退火處理制備了不同含量的Gd~(3+)摻雜介孔NaTi_2(PO_4)_3納米晶材料。從微觀表征上可以看出摻雜后介孔納米晶的顆粒分布更加均勻。作為鈉離子電池負(fù)極材料,摻雜濃度為5%的材料在5C電流密度下初始比容量為84.5mA h g~(-1),循環(huán)2000次后比容量仍有63.4 mA h g~(-1),庫(kù)倫效率高于99%;在50C電流密度下比容量可高達(dá)47.5 mA h g~(-1),庫(kù)倫效率超過(guò)97%。動(dòng)力學(xué)分析表明,Gd~(3+)引入介孔NaTi_2(PO_4)_3納米晶后,具有更高的電子導(dǎo)電性和離子遷移率。研究表明Gd~(3+)摻雜為提高NASICON型鈉離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能提供了一種新的技術(shù)手段。(2)通過(guò)溶劑熱法以及退火處理制備了碳包覆Mn~(2+)摻雜介孔NaTi_2(PO_4)_3納米復(fù)合材料。從微觀表征上可以看出錳元素在介孔NaTi_2(PO_4)_3納米晶中分布均勻,表面包覆碳的厚度為2 nm左右。該復(fù)合材料通過(guò)制漿涂膜法用作鈉離子電池負(fù)極,表現(xiàn)出良好的鈉儲(chǔ)存性能。在0.5C、1C、2C、5C、10C、20C、30C和50C電流密度下充電比容量分別為120、118、115、110、106、102、99和95 mA h g~(-1);在電流為1C的情況下,循環(huán)200次后仍具有111.85 mA h g~(-1)的可逆儲(chǔ)鈉比容量;在20C大電流密度下循環(huán)1000次之后仍有92 mA h g~(-1)的比容量。研究表明這種碳包覆Mn~(2+)摻雜介孔NaTi_2(PO4)_3復(fù)合材料在高性能鈉離子電池方面具有巨大的應(yīng)用前景。
【圖文】：

要采用玻璃纖維制成[29-31]。類似的物化性質(zhì)使得 SIBs 有著與 LIBs 相似的工原理圖如圖 1.1 所示。在充電的過(guò)程中，在外加過(guò)隔膜，通過(guò)電解液的運(yùn)輸嵌入到負(fù)極材料，同極，保證電池正負(fù)極之間的電荷平衡，其中電能轉(zhuǎn)成后，負(fù)極處于富鈉狀態(tài)。放電過(guò)程則相反，Na材料中，電子也經(jīng)過(guò)外部電路回到正極，其中化學(xué)電完成后，正極又恢復(fù)到富鈉態(tài)，負(fù)極又處于貧鈉鈉離子在正負(fù)極間的嵌入脫出可以看做是一種理因此也被形象地稱為“搖椅式電池”。若以 NaxMBs 的正極材料，碳材料作為其負(fù)極材料，那么正負(fù)如下：O2 Na1-xMO2+ xNa++xe- xNa++ xe- NaxC6O2+ 6C Na1-xMO2+ NaxC6

能有效地減短 Na 離子的擴(kuò)散路徑，，從而增強(qiáng)其儲(chǔ)鈉性能。相關(guān)報(bào)道還有碳納米管[45]、中空碳納米球[46]、石墨烯[47]以及通過(guò) N、S、P 等元素的摻雜碳材料[48,49]等，形貌如 1.2(d)~(f)所示。這些具有中空結(jié)構(gòu)的材料具有較短的 Na+擴(kuò)散距離和較大的電極與電解質(zhì)的接觸面積，作為 SIBs 的負(fù)極時(shí)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和倍率性能。(a) (b)(c)
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1;TM912

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本文編號(hào)：2657211