钒基储钠正极材料的制备与研究

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由于国内钠资源较锂资源丰富,成本低,便于发展,钠离子电池(SIBs)被认为是最具潜力取代传统锂离子电池的替代品之一,迎来了大好的发展机遇。钠离子电池的正极材料作为储存活性钠的部件,直接影响电池的电化学性能。在所有的正极材料中,钒基聚阴离子化合物具有稳定的晶体结构、独特的3D离子扩散通道、较高的工作电压平台,较多的氧化还原对(V2+/V3+,V3+/V4+,V4+/V5+)可提供更大的比容量等优点,成为SIBs储能领域的关注热点之一。但是其固有的本征电子电导率较低导致其循环稳定性和倍率性能差。因此改善钒基聚阴离子化合物电化学性能的关键是提高其电子电导率。基于此,本论文以钒基聚阴离子化合物为研究对象,通过水热、溶胶凝胶和高温热处理等合成方法,采用金属离子掺杂和形貌调控等化学改性手段来提升钒基聚阴离子化合物的电化学性能,并探索合成条件和电化学性能之间的联系,揭示其储钠机制。首先通过溶胶凝胶合成法和退火热处理工艺首次制备出蜂窝状结构Na3V(PO3)3N材料。该材料具有分级多孔结构,且结构疏松孔隙大,不仅极大地增加了活性物质与电解质之间的接触面积,提高了活性物质的有效利用,而且为Na+的传输提供更多的通道,促进Na+的快速扩散。电化学结果显示:Na3V(PO3)3N正极材料在V3+/V4+氧化还原对的参与下,表现出约4.0V(vs.Na+/Na)的平均工作电位。且该电极在0.1 C的电流密度下,维持高于74 mAh·g-1理论比容量的高比容量(84 mAh·g-1)。非原位XRD结果证实Na3V(PO3)3N在充放电过程中的最大体积变化率仅为0.9%,表明了优异的循环稳定性。其次,采用铁离子掺杂策略,通过水热法和高温热处理工艺得到Fe3+掺杂Na3V2(PO4)2O2F 微米立方块(Na3V2-xFex(PO4)202F)。系统地研究了 Fe3+含量对Na3V2(PO4)2O2F材料的结构、形貌和电化学性能的影响。XRD精修结果表明Fe3+掺杂材料保持原有的晶体结构。电化学测试结果表明,Fe3+掺杂量为0.15时表现出137.2 mAh·g-1的比容量(高于130 mAh·g-1的理论比容量)、同时具有最佳的循环稳定性和优异的倍率性能。且1 C下循环100次后的可逆容量高达134.8 mAh·g-1,在20 C下进行1,000次循环后容量保持率达86.4%。主要归因于:1、Fe掺杂缩短了 V-O键长,稳定了 O原子,提高了晶体结构稳定性;2、Fe原子可用作主体结构的支柱来缓冲充放电过程的结构变形;3、Fe3+取代增加了 Na+扩散系数和电子电导率。
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