钠离子电池正极材料磷酸钒的制备及其电化学性能研究

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近年来,随着风能、太阳能等可再生资源的迅猛发展,大规模的电能存储系统成为将这些间歇能量平缓整合到电网的重要手段。在这些储能技术中,电化学二次电源技术由于其方便灵活,能量转换效率高,维修简单等优点被认为是最有前途的储能技术之一。到目前为止,锂离子电池是开发最成功的技术,已被广泛应用于便携式电子设备并被视为(混合)电动车辆的最佳选择。后者的应用引发了人们对地壳中锂资源可能不足的关注。由于丰富的钠资源和其低成本,近来可替代地室温钠离子电池已再次引起了人们极大的兴趣,特别是对于大规模固定储能的应用。本文将通过X-射线衍射、扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外光谱以及电化学测试等方法,系统研究钠离子二次电池正极活性材料磷酸钒钠及氟磷酸钒钠的结构以及电化学性能。  首先采用固相法制备了磷酸钒钠粉体,研究了不同煅烧温度及煅烧时间对产物的结构及电化学性能的影响,结果表明800℃,10 h下的产物体现出较好的电化学性能,首次放电比容量为109.7 mAh/g,循环50次后放电比容量保持率为86%。比较了固相法、溶胶凝胶法与水热法等不同合成方法对磷酸钒钠粉体的结构、微观形貌及电化学性能的影响,结果表明水热法产物的电化学性能明显优于固相法与溶胶凝胶法合成的产物:材料的首次放电比容量为117.3 mAh/g,接近理论容量。循环50次后,容量保持率为97.3%。在2C的高倍率下,其首次放电比容量仍有81.6 mAh/g,且10次循环后未衰减。采用体相掺杂的方法对磷酸钒钠进行了改性,结果表明,当掺Cr量为0.08时,电池的首次放电比容量为112.6mAh/g,循环50次后容量保持率别为96.8%。本文还对两步高温固相法合成氟磷酸钒钠/石墨烯复合材料进行了工艺探索,结果表明石墨烯能够有效改善氟磷酸钒钠材料的电化学性能,该复合材料最高容量可达到120.9 mAh/g,50次循环后的容量保持率为97.7%。
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