锂/钠离子电池过渡金属氧化物正极材料的改性及性能研究

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化石能源的使用与消耗导致了能源危机和各种环境问题,有必要发展可再生能源。但可再生能源的间歇性和区域分布不均匀等特点,需要能量存储系统对可再生能源进行存储和再分配。锂/钠离子电池可以作为能量存储器件使用,正极材料决定了电池的性能和成本,其中过渡金属氧化物是最有前途的正极材料之一。然而,过渡金属氧化物依然存在如比容量和能量密度有待提高、循环寿命不够长等缺点。本文通过设计表面包覆和两相复合结构等策略,对锂/钠离子电池中的过渡金属氧化物正极材料进行合理的改性,提升了电极材料的电化学性能,并通过一系列的测试与表征揭示了改性的机理。本工作引入了快离子导体结构的LiZr2(PO4)3(LZP),通过湿化学法对LiCoO2表面进行修饰。这种表面改性改善了 LiCoO2与电解质界面之间的锂离子扩散,抑制了O3向H1-3的相变。实验结果表明,1wt%LZP包覆的LiCoO2(LCO@LZP-1%)在半电池和全电池中的电化学性能都有所提升。LCO@LZP-1%在0.5C的电流密度下循环100圈后仍能提供161.3 mAh g-1的比容量。此外,LCO@LZP-1%的倍率性能也得到很大提升。突出的是,由LCO@LZP-1%和人造石墨组装成的全电池具有345.5 Wh kg-1的能量密度(基于正极和负极的总质量)。同时本工作采用固相烧结法并通过调节NaxMnO2中的钠含量,成功制备出两相复合结构的正极材料,其中Na0.53MnO2的电化学性能最好。得益于两相复合结构的协同效应,Na0.53MnO2不仅拥有较高的比容量,还具有优异的循环稳定性和倍率性能。Na0.53MnO2的可逆容量分别达到125.6 mAh g-1(0.1C)和119.9 mAh g-1(1C)。此外,Na0.53MnO2在5C的电流密度下表现出104.4 mAh g-1的比容量,循环400圈后仍有84.6%的容量剩余。突出的是,由Na0.53MnO2和硬碳组装成的钠离子全电池呈现出176 Wh kg-1的能量密度(基于正极和负极的总质量)。
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