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钠离子电池具有钠资源丰富、环境友好、价格低廉等优点,在大规模储能和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。目前钠离子电池的研究尚处于初期阶段,与现有的锂离子电池相比还存在差距,有极大的提升空间。负极材料是电池性能的关键决定因素之一,直接影响钠离子电池的综合性能。钛基化合物结构稳定、资源丰富,成为当前钠离子电池负极材料研究的热点。其中,磷酸钛钠(NaTi2(PO4)3)具有比容量大、充放电平台略高于水的析氢电位等优点,是极具潜力的水系钠离子电池负极材料;钛酸钠(Na2Ti2O5)成本低廉、比容量大、电压平台低,是有机电解液钠离子电池非碳负极材料的首选。本论文通过水热合成等方法,直接在金属钛片上制备NaTi2(PO4)3纳米线阵列和Na2Ti2O5@C纳米管阵列,并分别用于水系和有机系钠离子电池,充分利用纳米阵列在电子/离子输运方面的动力学优势,提升电极和器件性能。主要研究内容如下:1.用厚度为50 μm的商用钛片作为集流体和钛源,通过水热合成法,在钛片上制备出长度为10-15μm,直径为50-100nm的NaTi2(PO4)3纳米线束状阵列。三维纳米线阵列结构有利于充放电过程中材料的电子传输和钠离子扩散,提高电极的倍率和循环性能。三电极体系测试中,以1 MNa2SO4溶液为电解质,在电流密度为0.8 A·g-1时,材料的质量比容量为109.2 mAh·g-1;当电流密度提高10倍时(8.0A·g-1),比容量仍有62.2mAh·g-1,倍率性能好于大多数NaTi2(PO4)3粉末电极。充放电倍率为15.6C时,循环1000圈后容量保持率为60%,表现出良好的循环性能。2.通过水热合成法结合碳包覆处理,制备出直径为30-50nm,碳层厚度约为2-5 nm的Na2Ti2O5@C纳米管阵列复合电极。有机电解质钠离子半电池的测试中,当电流密度为0.05 mA·cm-2时,复合电极的面积比容量可到达230 μAh·cm-2(质量比容量230mAh·g-1);当电流密度增大至2.0mA·cm-2时,其面积容量仍有135 μAh·cm-2(质量比容量135 mAh·g-1),倍率性能良好。在0.8 mA·cm-2的电流密度下循环1000圈其容量保持率为95.2%,表现出优良的循环性能。进一步,利用PVDF-HFP基凝胶固态电解质,制备出Na2Ti2O5@C-(PVDF-HFP)一体化电极,在电流密度为0.025mA·cm-2时,面积容量为225.1μAh·cm-2。此电极避免了隔膜的使用,为新型准固态电池的研究提供了科学基础。3.通过高温固相法制备石墨烯复合的Na3(VO0.5)2(PO4)2F2(Na3(VO0.5)2(PO4)2F2@G)钠离子电池正极材料,该材料充分利用石墨烯的优点,既增加材料本身的导电性,还缓解材料在充放电过程中的体积膨胀,提高材料的倍率和循环性能。Na3(VO0.5)2(PO4)2F2@G正极在1、5、20和50 C的条件下比容量分别为95、85、68和58 mAh·g-1;在1.28 A·g-1的电流密度下循环400圈之后容量保持率为87.34%。以Na3(VOo.5)2(PO4)2F2@G为正极,Na2Ti2O5@C 纳米管阵列为负极,组装的 Na2Ti2O5@C//Na3(VO0.5)2(PO4)2F2@G有机电解液钠离子全电池,电压高达3.4 V,在电流密度为0.05、0.4和0.8 mA·cm-2时,比容量分别为59.8、51.0和44.7 mAh·g-1;在电流密度为0.2 mA·cm-2下循环100圈后,全电池的容量保持率为95.35%,循环性能卓越。