近年来,随着锂离子电池的快速发展,自然界中锂金属资源的缺乏,导致锂金属的成本逐渐上涨,因此人们的关注焦点逐渐集中在了低成本、大规模的钠离子电池储能应用上。众所周知,化学周期表中与锂元素位于同一主族的钠是自然界中含量最为丰富的元素之一,且化学性质与锂元素非常相似。但是目前较为匮乏的是高循环性能的钠离子电池正极材料,也一直都是制约钠离子电池实际应用的一大障碍。而且自然界中铁锰资源比较丰富,且成本较低,因此铁锰基-层状过渡金属氧化物正极材料作为一种非常具有前途的钠离子电池正极材料,引起了广大科研爱好者的关注。解决循环性能的不稳定和倍率性能较差等问题是当务之急。本文主要是通过原位包覆、后包覆和微量元素掺杂协同的方式针对P2相层状过渡金属氧化物钠离子正极材料进行改性研究,并进一步揭示其机理,主要研究内容如下:(1)在这里,一种原位Zr4+掺杂和ZrO2表面同步包覆的P2相层状过渡金属氧化物钠离子电池正极材料Na0.67Mn0.7Fe0.2Co0.1O2已经通过简单的Zr(OC4H9)4介导的溶胶凝胶法合成出来。并且达到同时增强正极材料的倍率性能和循环性能的目的,也进一步揭示了 Zr4+掺杂和ZrO2表面同步包覆的协同改性机理。倍率性能的增强大部分应该归功于层间距的扩大以及Na-O键键长的增加,因为它可以减小钠离子扩散的阻力以及钠与氧之间的静电引力,这是非常有利于钠离子的脱出与嵌入,进一步提高了其倍率性能。长循环稳定性的提高首先归功于ZrO2表面包覆层的保护,减少了电解质对正极材料的副反应,并增强了正极材料层状结构的稳定性。另外,Zr4+的掺杂也减小了过渡金属与氧、氧与氧之间的键长,增加了他们之间的键能,钠离子电池正极材料层状结构的稳定性也得到增强。最后,Mn3+的相对含量也有所降低,从而减小姜泰勒效应所引起的结构畸变,进一步提高了正极材料层状结构的稳定性。同时为了揭示ZrO2@Na0.67Mn0.7Fe0.2Co0.1O2的结构演变,又测试了电池电极材料的原位X射线衍射,揭示了正极材料在充放电过程中结构变化的单一性与可逆性。我们所提出的这种协同策略同样也适用于其他正极材料的改性研究。(2)第一次提出一种后包覆的策略,通过简单的湿化学方法将纳米级MgO后包覆在Na0.67Mn0.5Fe0.5O2正极材料的表面,用来提高其倍率性能和循环稳定性。通过后包覆在正极材料表面一层合适厚度的氧化物,可以很好地抑制正极材料在工作状态下析出溶解过渡金属阳离子,并进一步减轻电解质对正极材料表面的腐蚀,还可以减小材料界面电阻以及增强e-/Na+的迁移能力。另外,通过少量镁掺杂,TMO2层的厚度有所增加,这也减小了 Na+迁移的阻力。非原位和原位的X射线衍射表明MgO包覆可以缓解Na+脱出与嵌入过程中层间距(d值)的变化,减小层间距(d值)的变化率。而且在充放电过程中,一些不可逆的相变得以抑制,这也可以证明通过后包覆一层纳米级MgO,进一步改善了正极材料氧化物层状结构的稳定性。在充放电电流密度为1C的情况下,通过MgO表面后包覆正极材料Na0.67Mn0.5Fe0.5O2循环100圈的容量保持率从20%升至72%,大大的增强了其循环稳定性。并且这种简单的湿化学氧化物后包覆方法也可以用于其他正极材料的改性。