钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)3/C的制备及性能研究

来源 :淮北师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:good2009good
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聚阴离子型磷酸钒钠(Na3V2(PO43)由于具有三维开放的框架结构、高的结构稳定性、高的能量密度(400 Wh kg-1)、稳定的电压平台(3.4 V vs.Na+/Na)、较高的热力学稳定性(450°C)等优点,成为钠离子电池潜在的正极材料之一。由于Na3V2(PO43较低的体相电子导电性致使材料高倍率可逆容量不理想,影响了钠离子电池的功率性能。本文基于提高Na3V2(PO43的电化学活性,探究材料合成条件,制备过程中表面活性剂的加入以及体相离子掺杂对Na3V2(PO43微观结构和电化学性能的影响。内容如下:1、采用球磨混料和高温固相反应法,以葡萄糖酸内脂为碳源合成Na3V2(PO43/C复合正极材料,探究合成条件(碳源含量,球磨时间和煅烧温度)对Na3V2(PO43/C晶体结构、微观形貌和电化学性能的影响。原料球磨时间分别为1 h、5 h、10 h和24 h;煅烧温度分别为700°C、750°C、800°C和850°C;产品中的碳含量分别约为1 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%和10 wt%。测试结果表明,在2.04.3 V的电压范围,球磨10 h制备的样品倍率性能和循环性能最优异,在20C高倍率下放电比容量为107 mAh g-1,在10 C倍率下循环1000次后容量保持率为81%。煅烧温度为800°C制备的样品,颗粒尺寸较小,粒径分布均匀,40 C倍率下具有91 mAh g-1的放电比容量,1 C倍率下500次循环后容量保持率达到88%,倍率性能和循环性能最佳。样品中碳含量为7 wt%制备的样品具有较高的电化学性能,0.5 C倍率放电比容量为112 mAh g-1。可见,合成条件对材料微观结构和电化学性能具有显著的影响。2、以油酸钠兼做钠源和碳源,分别采用球磨法(BM)、溶胶-凝胶法(SG)、水热法(HT)和水热辅助溶胶-凝胶法(HT-SG),制备前驱体材料,再经高温固相反应制备Na3V2(PO43/C复合正极材料。研究前驱体制备方法对材料的结晶度、颗粒形貌、粒径大小分布以及电化学性能的影响。测试结果显示:电压范围在2.0-4.3 V时,NVP@BM、NVP@HT、NVP@HT-SG和NVP@SG样品在1 C倍率下的放电比容量分别为106、81、92和85 mAh g-1;其中NVP@BM样品具有最好的倍率性能和循环性能,这可能归于其较小的颗粒尺寸,较好的颗粒分散性和较高的结晶度。3、以表面活性剂辅助的溶胶-凝胶法制备Na3V2(PO43/C复合正极材料,表面活性剂分别为聚乙二醇(PEG)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和十二烷基硫酸钠(SDS)。研究不同表面活性剂的加入对材料形貌微结构以及电化学性能的影响。测试表明,加入PEG效果最好,制备的Na3V2(PO43/C材料的粒径尺寸较小(50-200 nm);在2.04.3 V电压范围内,NVP@C-PEG在1 C倍率下的充/放电容量为109/108 mAh g-1,库伦效率高达99%;在60 C超高倍率下的放电比容量为92 mAh g-1;1 C倍率下循环400次的容量保持率为91%。此外,进一步探究了PEG分子量(M=200、1000、4000、10000、20000)对Na3V2(PO43/C复合材料电化学性能的影响。测试结果表明,PEG分子量对材料的结晶度、颗粒尺寸、颗粒团聚程度和电化学活性具有显著影响。其中NVP@C-PEG/4000样品在不同倍率下具有最高的放电比容量,在1、2、5、10、20和40 C倍率下放电比容量分别为108、106、106、105、102和95 mAh g-1;NVP@C-PEG/4000样品的循环稳定性也较为优异在10 C倍率下循环1000次的容量保持率达到85%。4、研究Na位K离子掺杂对Na3V2(PO43晶体结构,形貌及电化学性能的影响。结果表明:XRD测试结果显示少量K掺杂不会影响材料的结构,但可增大晶胞体积。SEM显示适量的K掺杂可以有效的减小颗粒的尺寸,拉曼结果显示K掺杂不会影响碳的导电性,XPS和EDS测试结果表明K离子成功的掺杂进了Na3V2(PO43晶体中。电池测试表明,Na2.95K0.05V2(PO43/C样品在2.04.3 V电压范围内,1 C倍率下展现了一个高的放电比容量为114 mAh g-1;40 C高倍率下的放电比容量为94 mAh g-1,是未掺杂样品放电比容量1.40倍(67 mAh g-1)。在1 C倍率下循环300次,Na2.95K0.05V2(PO43/C和Na3V2(PO43/C的保持率分别为96%和88%。CV和EIS测试表明,K掺杂可显著减小电极反应极化,降低电荷转移阻抗,增大Na+离子的离子传输速度,进而提升材料的电化学性能。
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