论文部分内容阅读
聚阴离子型磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3,NVP)具有突出的稳定性,适中的氧化还原电位(3.4 V)和可接受的比容量(117.8 mAh·g-1),是最具发展潜力的钠离子电池正极材料之一。然而,在每个NVP分子中使用两个昂贵的钒离子对NVP的大规模应用带来了巨大的成本挑战。在NVP中,在V3+/V4+(3.4 V)的氧化还原中,每个钒原子只能传递一个电子,这效率并不高,因为元素钒具有V3+/V4+/V5+的三个有效价态。从这个角度看,用另一个不变的三价元素替代部分钒在理论上是可行的,可以实现从V3+到V5+的价态变化,在较少的V的参与下达到更高的电压和能量密度,主要研究内容如下:本论文第一章简要的介绍了钠离子电池的组成、工作原理和钠离子电池正极材料的类型及研究现状。最后对本论文的选题背景和研究内容进行了简要的说明。第二章通过计算掺铝的 Na3AlxV2-x(PO4)3@C(NAVP@C,x=1/3,1/2,2/3,3/4,1)在氧化还原产物的Gibbs自由能,为实验提供合理结构设计的理论依据。第三章通过溶胶凝胶法合成碳包覆的钠离子电池正极材料NAVP@C,并对其形貌、结构及电化学性能进行表征研究。与NVP相比,所有合成的NAVP在4.0 V附近都出现一个新的电压平台。当V3+完全氧化为V5+时,Na3AlV(PO4)3理论上具有最高的理论能量密度,但实际只有约1.5个Na+能可逆地从NAVP中脱嵌,其容量约为93.0 mAh/g。用2/3个A1替代V,NAVP在热力学上可以实现两个Na+的脱出,但由于Al掺杂使晶体尺寸缩小,只有约1.7个Na+能重新嵌入,对应容量为103.6 mAh/g。当铝含量降低到1/2和1/3时,NAVP的可逆放电容量分别提高到106.3 mAh/g和113.8 mAh/g,逐渐接近理论比容量120.8 mAh/g和119.8 mAh/g。与所有NAVP相比,由于适当的铝取代和适当的晶粒尺寸,铝含量为1/3时,获得了最佳的容量和倍率性能。第四章总结了本论文的创新之处和不足之处,同时对未来工作进行了展望。