【摘 要】
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当今科学技术的飞快进步和基础设施建设的高质量发展使人们对电力能源的需求成倍的增加,寻找并开发大规模的能源储存系统和智能电网是眼下的当务之急。钠离子电池(SIB)作为一种新型的能源储存技术在近期已经受到了较为明显的关注。与市场火热的锂离子电池(LIB)相比而言,得益于地球上蕴藏着分布广泛且丰富的钠盐资源,钠离子电池在成本上具有显著的优势,且钠元素与锂元素处在同一主族,钠离子电池的工作原理与锂离子电池
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当今科学技术的飞快进步和基础设施建设的高质量发展使人们对电力能源的需求成倍的增加,寻找并开发大规模的能源储存系统和智能电网是眼下的当务之急。钠离子电池(SIB)作为一种新型的能源储存技术在近期已经受到了较为明显的关注。与市场火热的锂离子电池(LIB)相比而言,得益于地球上蕴藏着分布广泛且丰富的钠盐资源,钠离子电池在成本上具有显著的优势,且钠元素与锂元素处在同一主族,钠离子电池的工作原理与锂离子电池十分相似。上述因素使得钠离子电池在未来的能量储存领域方面具有十分广阔的前景,是锂离子电池的合适替代品。钠超离子导体(NASICON)是一种典型的聚阴离子型钠离子电池电极材料。其具有较好的热稳定性和安全性,独特的三维开放骨架结构使其拥有较大的间隙位点,这为钠离子的快速传输提供了大量的通道。但因为它本身电子电导率较低的缺点,导致其在电化学测试中表现出不佳的循环稳定性和倍率性能,这限制了其进一步的应用。本文合成制备了Na3CrV(PO4)3和Na4CrMn(PO4)3两种NASICON结构钠离子电池正极材料,并选用不同的碳源在电极材料表面进行包覆处理以达到改性目的,碳包覆后构建成的三维导电网络结构可以增加材料颗粒间和颗粒表面的导电性,同时提高了钠离子的扩散速率,从而让材料的电化学储钠性能得到明显改善。本文的研究内容简要如下:(1)采用溶胶-凝胶法合成了NASICON结构Na3CrV(PO4)3@C钠离子电池正极材料,所包覆的碳源为聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和柠檬酸,通过相关电化学测试来观察碳包覆对Na3CrV(PO4)3材料电化学性能的改善情况。经实验结果表明,碳包覆后材料的电化学性能大大提高,当电压范围为2.5~4.3 V时,材料在5 C倍率下循环500圈后拥有78 m Ah·g-1的放电比容量,而当电压范围为1.3~4.3 V时,材料在1 C倍率下循环100圈后表现出167 m Ah·g-1的放电比容量,在20 C大倍率下循环500圈后拥有90 m Ah·g-1的放电比容量。电化学阻抗谱(EIS)计算得到Na3CrV(PO4)3@C和Na3CrV(PO4)3的钠离子扩散系数分别为5.0×10-15cm2·s-1和6.81×10-16 cm2·s-1,表明材料包覆碳源后钠离子可以进行更快的传输。(2)采用溶胶-凝胶法合成了NASICON结构Na4CrMn(PO4)3@C钠离子电池正极材料,所包覆的碳源为抗坏血酸(维生素C)和柠檬酸。通过相关电化学测试来观察碳包覆对Na4CrMn(PO4)3材料电化学性能的改善情况。实验结果表明碳包覆后材料的比容量也有了明显的提高,当电压范围为1.5~4.5 V时,材料在0.1 C倍率下循环50圈后拥有78.5 m Ah·g-1的放电比容量,而在10 C和20 C大倍率下循环500圈后放电比容量分别为50、61 m Ah·g-1,相比之下未经过碳包覆的原始材料放电比容量仅为24、23 m Ah·g-1,碳包覆处理后使得材料的比容量提升了100%。用电化学阻抗谱(EIS)计算得出Na4CrMn(PO4)3@C材料的钠离子扩散系数为4.60×10-15 cm2·s-1,远大于其碳包覆前的离子扩散系数(8.57×10-18cm2·s-1),从侧面证明了碳包覆对材料电化学性能的提升作用。
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