P2型金属氧化物Na0.67MnO2的改性和电化学性能研究

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近年来,随着新能源革命的不断发展以及国家关于“碳中和”相关政策的相继出台,使用清洁能源取代传统燃料的呼声日益高涨,极大地推动了二次电池的开发和研究。钠离子电池凭借丰富的资源储量以及成本的优势,被认为是下一代最适合应用于大规模储能领域的储能技术,而开发出高能量、长寿命和低成本的高性能钠离子正极材料已成为突破这一技术瓶颈的关键。在众多正极材料中,P2型锰基正极材料P2-Na0.67MnO2具有环境友好、制备简单、高理论容量以及宽阔的钠离子传输通道等优点,备受研究人员的青睐。但是,由于这一类材料在循环过程中会出现多重复杂相变和结构畸变,并由此导致材料的循环稳定性和倍率特性的低下,严重影响了其商业使用。本文首先探究了材料的合成温度对结构特征、表面形貌和电化学性能的影响,并制备出高纯的正极材料;其次通过Cu2+的掺杂、Cu2+、F-阴阳离子共掺杂的策略,探究离子掺杂对材料层间结构与电化学性能的影响。研究内容如下:(1)通过溶胶凝胶和高温固相法制备P2-Na0.67MnO2。研究结果表明,700-1100℃下合成的材料晶体结构并没有显著变化,均发生了不同程度的团聚现象。其中,900℃下合成出的样品的结晶程度最好,循环稳定性和倍率性能均高于其它材料,为后续工作的进行奠定了基础。(2)将Cu掺入到P2型Na0.67MnO2正极材料中,合成不同Cu含量的层状金属氧化物正极材料Na0.67CuxMn1-xO2。研究表明,Cu2+掺杂后明显减少了材料颗粒的团聚现象,有效缓解了三价锰离子引起的歧化溶解和姜-泰勒效应造成的晶格扭曲,使其循环稳定性和倍率性能提高。(3)将F掺入到P2-Na0.67Cu0.10Mn0.90O2的材料中,合成不同F含量的P2-Na0.67Cu0.10Mn0.90O2-xFx。研究结果表明:F-的掺杂对其晶格结构和形貌均没有明显的影响;F-掺杂能够明显的改善P2-Na0.67Cu0.10Mn0.90O2材料在充放电过程中的容量保持能力和倍率性能。当掺杂量为0.15时,材料的循环和倍率性能最好,在100 m A g-1的测试条件下,首圈放电容量达116.7 m Ah g-1,100圈循环测试后的容量保持率为90.3%。
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