钠离子二次电池正极材料Na3V2(PO4)3的制备与研究

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自1991年日本索尼公司将锂离子二次电池商业化以来,其凭借清洁高效、质量轻、能量密度大、循环性能好等优点,在便携式电子设备电源中得到了广泛的使用。随着电动汽车行业的蓬勃发展,锂离子二次电池的需求量又一次加大。与此同时,整个社会对可再生能源也高度关注,风能、太阳能等清洁能源也得到了极大的发展,而由于风能、太阳能、潮汐能等可再生能源往往具有不可移动性、随机性、间歇性等特点,无法直接并入常规电网,此时安全性高、成本低、功率大的储能系统显得尤为重要。从安全性,功率来看,锂离子二次电池无疑是储能系统很好的选择。然而,受制于锂元素的地壳元素丰度,锂离子二次电池成本相对较高。钠离子二次电池与锂离子二次电池具有相似的性能,然而钠元素丰度比锂多,前者为后者的420倍之多。因此,从降低成本的角度考虑,在大型储能应用方面,发展钠离子二次电池具有重要意义。具有NASICON结构的磷酸钒钠正极材料凭借其良好的钠离子导电率以及传输通道,得到了广泛的关注。本文的主要研究内容包括喷雾干燥法制备碳包覆的磷酸钒钠正极材料并对其进行了改性研究和首次采用超声喷雾与冷冻干燥技术相结合的方法来制备薄片状的磷酸钒钠正极材料两部分。第一部分中,使用草酸作为还原剂,在磁力搅拌过程中实现对于偏钒酸铵中钒离子的预还原,然后使用喷雾干燥法制备了具有空心球结构的Na3V2(P04)3/C正极材料。而后在喷雾过程中加入了氧化石墨烯,研究了氧化石墨烯的加入对于形貌以及电性能的影响,实验发现,加入氧化石墨烯后,之前的空心球结构转变为多孔的空心球结构,同时发现氧化石墨烯的加入一定程度上提高了大倍率放电下的电容量,并使用自制的氧化石墨烯与商业的氧化石墨烯进行了对比,进一步确认了氧化石墨烯加入对于实验的影响。第二部分中,沿用第一部分中前驱体溶液的制备方法,我们首次尝试将超声喷雾技术与冷冻干燥法技术相结合,成功制备了厚度为80-120nm左右厚度的薄片状Na3V2(P04)3/C正极材料,并与传统真空冷冻干燥法下制备的Na3V2(PO4)3/C材料形貌进行了对比。同时我们讨论了不同实验操作下对于其形貌的影响,结果发现超声喷雾过程中,补充液氮有助于薄片状Na3V2(PO4)3/C材料的产生。我们将两种实验操作下制备的Na3V2(PO4)3/C正极材料组装成电池进行了充放电性能的测试,在0.1C放电倍率下,薄片状Na3V2(PO4)3/C材料作为正极的电池放电容量达到了 108.5 mAh g-1,且在1C充放电倍率下,经历100个循环后,仍保有81.4%的初始容量。
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