几种含钒磷酸盐Na~+电池电极材料的制备、结构及其电化学性能研究

来源 :西北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pipi1980_ren
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在以往的几十年中,锂离子电池在便捷式电子产品市场占首要地位。然而,地球上有限的锂资源以及越来越高的价格成为了人们不得不注意的难题。相比之下,钠广泛分布在地球和海洋上,而且价格便宜。所以,探索和开发钠离子电池在能源存储领域是一个新颖、有意义的方向。同时,钠离子电池正负极材料是确定其最终电化学性能和成本价格的重要原因。最近,人们已经研发了大量钠离子电池电极材料,例如层状金属氧化物和多阴离子型材料。与层状氧化物相比,多阴离子型化合物由于它们结构的稳定性和多样性,以及开放式框架以及大的3D通道,促进较大钠离子提取和插入而被广泛研究。根据阴离子种类,它可以划分为磷酸盐、硫酸盐、硼酸盐以及钼酸盐型电极材料。本论文首次通过高温熔盐法合成Na2Mn2V(PO43,Na2Fe2V(PO43,NaMnV2(PO43和Na4FeV(PO43晶体,然后采用溶胶-凝胶以及高温固相法合成出其纯相粉末,并对其结构和物性进行研究。Na2Mn2V(PO43和Na2Fe2V(PO43单晶都属于典型的alluaudite类型结构,其中Na2Mn2V(PO43单胞参数a=12.0533(15)?,b=12.5844(16)?,c=6.4987(8)?,β=114.511(2)。该晶体结构由V/MnO6,MnO6八面体及PO4四面体组成,形成具有两种Na+传输通道三维结构。通过基于NEB方法密度泛函理论计算出了Na2Mn2V(PO43和Na2Fe2V(PO43的Na+迁移势垒。计算结果表明,Na2Mn2V(PO43比Na2Fe2V(PO43的Na+导电性强。电化学测试表明,Na2Mn2V(PO43具有电化学活性,平均电压为3.5V。在C/10倍率下,最大放电容量为97 mAh/g。NaMnV2(PO43单晶也属于典型的alluaudite类型结构,单胞参数a=12.098(2)?,b=12.415(2)?,c=6.4543(11)?,β=114.61(0)°。结构由MnO6,VO6八面体和PO4四面体组成,构成具有两种Na+传输通道的三维结构。电化学测试表明,NaMnV2(PO43既可用做钠离子电池正极材料,也可用做负极材料。Na4FeV(PO43单晶属于NASICON类型结构,单胞参数a=8.7817(12)?,c=21.701(4)?。结构由Fe/VO6八面体和PO4四面体组成,提供多维的Na+传输通道,两种不同类型Na+位于框架的间隙。作为钠离子电池正极材料,Na4FeV(PO43首次循环中放电容量达到最大值171.6 mAh/g,从第2周期到20周期,容量减少了14.22%。它可以在不同倍率下可逆地循环5次,而不会造成结构破坏。
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