水系钠离子电池正极材料NaxFe[Fe(CN)6](1<x<2)的制备及电化学性能

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近年来钠离子电池因具有与锂离子电池类似的储能机制且地壳中钠元素储量丰富、成本低廉,逐渐成为新一代极具发展潜力的储能领域研究的热点。水系电解液在安全性、经济性、高离子电导率和操作灵活上比有机电解液有优势,因而水系钠离子电池引起了众多学者的高度关注。目前,电极材料是制约水系钠离子电池开发应用的关键一环,尤其是正极材料。普鲁士蓝类材料因具有开放的三维框架结构、理论比容量高、制备工艺简单、价格低廉等优点成为钠离子电池备选的正极材料之一。然而,普鲁士蓝类材料存在结晶水分解、电导率低及循环稳定性差等缺点限制其大规模应用。本论文主要通过优化制备方法、Ni2+掺杂及多壁碳纳米管(MWCNTs)表面修饰改性,以期改善其在水系电解液中的电化学性能。(1)采用柠檬酸钠辅助共沉淀法制备了尺寸约为50 nm的NaxFe[Fe(CN)6]纳米立方体颗粒,且分布均匀。对比了有无柠檬酸钠对NaxFe[Fe(CN)6]形貌及其在1 M NaNO3电解液中的储钠性能的影响。结果表明,添加柠檬酸钠可以有效降低成核速率、抑制晶格缺陷,改善电化学性能,在100 mA g-1电流密度下,首次放电比容量124.9 mAh g-1,且在200 mA g-1电流密度下循环300圈后容量保持68.5 mAh g-1。(2)采用Ni2+对NaxFe[Fe(CN)6]材料进行掺杂,通过柠檬酸钠辅助共沉淀法制备了不同Ni2+掺杂量的NaxNiy Fe[Fe(CN)6](y=0.15、0.20、0.23、0.25)纳米材料,探讨了不同掺杂量对材料电化学行为的影响。通过XRD、SEM、TEM及FT-IR等表征结合电化学测试,发现当Ni2+掺杂量为23%时,该材料表现出最佳的电化学性能。在200 mA g-1电流密度时,可逆比容量达到105.9mAh g-1,当电流密度增大到2000 mA g-1时,比容量仍保持有55.5 mAh g-1,以1000 mA g-1的电流密度循环1000圈后仍可具有73.1%的容量保持率。Ni2+的引入可以起到骨架支撑作用,抑制材料晶格结构的塌陷,赋予了材料良好的循环稳定性和倍率性能。(3)采用原位生长法制备了NaxFe[Fe(CN)6]/MWCNTs复合材料,通过XRD、SEM等表征手段及电化学测试,结果发现该复合材料作为水系钠离子电池正极材料呈现出了优良的电化学性能。在1000 mA g-1电流密度下比容量为114.5 mAh g-1,循环1000圈后稳定在88.3 mAh g-1,3000 mA g-1大电流密度时比容量仍可达到83.8 mAh g-1。MWCNTs的加入提高了材料的电子导电性,促进了Na+和电子在电极材料内部的快速传输,同时有效抑制了电解液中材料表面副反应的发生,提高了该材料的倍率性能和循环稳定性。
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