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随着锂离子电池的广泛使用和成本的不断提高，与锂离子电池有着相似储能机制的钠离子电池也逐渐成为研究的热点之一。与锂离子电池相比，钠离子电池最大的优势在于其材料来源广泛，制作成本较低，在大规模储能应用的领域有着较为广阔的应用前景。但是，钠离子电池的实际应用仍面临一些关键挑战。与锂离子电池不同，钠离子的离子半径比锂离子半径大(1.02(A)v.s.0.76(A))，钠离子的嵌入和脱出引起的复杂相变导致钠离子电池较差的循环稳定性、较差的倍率性能以及偏低的能量密度。因此，探索具有高倍率，高循环稳定性的钠离子电池的正极材料就具有重要的意义。本文的重点是设计、开发高性能的层状过渡金属氧化物正极材料，并通过材料结构解析及电化学分析测试等手段深入研究材料结构与电化学性能之间的构效关系，并揭示相关的机理。本文的研究内容主要有: 1.通过Mg元素取代O3-NaMn0.5-xNi0.2Fe0.3MgxO2(x=0，0.02)材料中Mn元素使得新材料具有良好的倍率性能和长循环稳定性，从而提高钠离子电池正极材料的电化学性能。对材料的结构进行精修，结果表明Mg元素的掺杂可以拓宽(003)晶面的层间距，增大了材料的层间距和钠离子扩散系数。这也是掺杂Mg元素提高电极材料倍率性能的主要原因之一。在充放电电压为1.5-4.2V的电压范围内，NaMn0.5Ni0.2Fe0.3O2电极材料在电流密度为0.05C，0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C，5C，8C和10C下分别呈现出约130，117，105，85，66，40，5，2和1.5mAh/g的放电比容量。然而，在相同的电流密度下NaMn0.48Ni0.2Fe0.3Mg0.02O2则表现出160，136，118，100，87，72，40，19和10mAh/g的放电比容量。在0.1C电流密度下进行100次充放电的循环测试后，样品的容量保持率由掺杂前的81％提高至掺杂后的99％。本文中所设计的O3-NaMn0.48Ni0.2Fe0.3Mg0.02O2材料表现出可以用作钠离子电池正极材料的巨大潜力。 2.在O3-NaMn0.5Ni0.2Fe0.3O2材料的基础上，本文使用电化学活性离子Cu2+取代高自旋离子Mn3+，制备了一系列循环和倍率性能都大幅度提高的电极材料O3-NaMn0.5-xNi0.2Fe0.3CuxO2(0≤x≤0.08)。在充放电电压为1.5-4.2V的范围内，NaMn0.5Ni0.2Fe0.3O2电极材料在电流密度为0.05C，0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C，5C，8C和10C下分别显示出约130，117，105，85，66，40，5，2和1.5mAh/g的放电比容量，而在相同的电流密度下，NaMn0.42Ni0.2Fe0.3Cu0.08O2则表现出205，161，136，118，105，80，33，10和4mAh/g的放电比容量。此外，在研究中还发现，晶体的晶格常数c与钠离子的运动通道，即钠氧层的层间距并没有直接的关系。随着材料中Cu含量的增加，尽管品格常数c在不断的减小，但材料的钠氧层间距却在一直增大。这意味着尽管材料的c轴坍塌，但钠离子的运动通道却能够得以保持。这种结构调整可能会对O3型层状氧化物的优化设计提供新的思路，有助于大幅度推进钠离子电池产业化的进程。 3.设计并合成了无Co元素的O3-NaMn1/3-xNi1/3Fe1/6Cu1/6LaxO2层状过渡金属氧化物正极材料，并系统研究了La离子取代Mn离子对材料结构与电化学性能的影响。XRD技术与Rietveld精修结果表明在品格结构中La离子主要占据过渡金属位置而形成O3相，同时La离子的掺杂能够有效地提升材料的可逆比容量，增强材料的倍率、循环稳定性及库仑效率。在充放电电压为1.5-4.2V的范围内，NaMn1/3Ni1/3Fe1/6Cu1/6O2电极材料在电流密度为0.05C，0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C，5C，8C和10C下分别呈现出约131，110，102，96，88，79，60，42和26mAh/g的放电比容量。然而，在相同的电流密度下NaMn19/60Ni1/3Fe1/6Cu1/6La0.02O2则表现出139，125，119，115，110，101，80，57和35mAh/g的放电比容量。在1C电流密度下进行50次充放电的循环测试后，样品的容量保持率由掺杂前的75％提高至掺杂后的85％。本文中的结果可以为高性能钠离子电池电极材料的设计提供新的思路。 4.通过Y离子取代Mn离子，明显地提高了O3-NaMn1/3-xNi1/3Fe1/6Cu1/6YxO2电极的电化学性能。Y元素的掺杂可以拓宽(003)晶面的层间距，增大了材料的电子导电率和在充放电的过程中钠离子的迁移速率。在充放电电压为1.5-4.2V的范围内，NaMn1/3Ni1/3Fe1/6Cu1/6O2电极材料在电流密度为0.05C，0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C，5C，8C和10C下分别呈现出约131，110，102，96，88，79，60，42和26mAh/g的放电比容量。然而，在相同的电流密度下NaMn19/60Ni1/3Fe1/6Cu1/6Y0.02O2则表现出149，131，125，119，113，106，87，58和35mAh/g的放电比容量。在1C电流密度下进行50次充放电的循环测试后，样品的容量保持率由掺杂前的75％提高至掺杂后的84％。本文中的结果表明Y离子掺杂可以同时提高O3结构正极材料的高倍率性能和循环稳定性。