P2相Na2/3Ni1/6Co1/6Mn2/3O2钠离子电池正极材料的制备与电化学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lzg31142003
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钠离子电池作为一种二次可逆充放电电池,具有丰富的原料资源以及相对稳定的电化学性能,被认为是最具有潜力的候选储能系统之一。但目前钠离子电池的能量密度、倍率性能和循环稳定性仍受正极材料的限制。基于过渡金属离子与晶格氧双重氧化还原反应的层状过渡金属氧化物正极材料具有较高的比容量,是实现高比能量钠离子电池较为理想的正极材料。然而,由于钠离子的离子半径较大导致其扩散缓慢,因此钠离子电池正极材料的发展仍然面临着巨大的挑战。本文通过共沉淀法制备了P2相过渡金属层状氧化物Na2/3Ni1/6Co1/6Mn2/3O2,并以其为研究对象,对其电化学性能、高压下相转变对材料的影响以及不同添加剂对于该材料与硬碳组装的全电池性能影响进行了一系列研究。本文借助X射线衍射(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等表征方式研究了Co掺杂对材料结构和电化学性能的影响规律。研究表明:1)通过Co元素的掺杂使得材料晶体结构的晶胞参数c/a变大,倍率性能得到了提升,在20 C(1 C=100m A/g)的倍率下仍然有38 m Ah/g的容量,同时通过GITT测试和计算发现材料的钠离子扩散系数得到了提升;2)材料具有良好的循环性能,在100 m A/g的电流密度下循环800圈容量保持率为73%。此外,本文对材料不同截止电压下的电化学性能进行了探究,发现材料在高压条件下材料容量衰减迅速。通过原位XRD探究得出该过渡金属层状氧化物正极材料在高压条件下会发生不可逆的相变,从而导致性能衰减。利用透射电子显微镜(TEM)观测材料在相变后产生的微观裂纹的分布以及深度,并通过对微观裂纹的研究进一步阐述了该类材料在循环充电过程中高电压下的容量衰减机理,发现在高压下的重复相变导致晶格中残余应力存在,使得材料出现晶内裂纹是导致材料容量衰减的主要原因。为了使此研究对于钠离子电池在实际工业生产中具有参考价值以及指导作用,研究电解液与正负极材料的适配也具有重要意义。本文利用Na2/3Ni1/6Co1/6Mn2/3O2作为正极材料,硬碳为负极材料,组装了全电池。通过改变电解液添加剂组分(如氟代乙烯酯(FEC)、1,3-丙烷磺内酯(PS)以及PS/FEC)探究不同添加剂对于全电池的电化学性能影响。并最终发现在添加剂FEC与PS两者共同存在时,钠离子全电池器件具有较高的能量密度、大倍率性能以及良好的循环稳定性(在100圈循环后仍可保持79%的容量)。
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