钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)3的合成与研究

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磷酸钒钠(NVP)具有较大的钠离子传输通道,在充放电过程中钠离子可以快速传输,并且具有较高的理论比容量(118 mAh/g)。钠资源储量丰富的优点使NVP适用于大规模储能。因此,近年来众多科学家致力于钠离子电池磷酸钒钠的研究,逐步发展起NVP的合成方法、掺杂改性、碳包覆等研究,提高该材料的储钠电化学性能。本论文的主要研究如下:1.从原材料出发,探究不同价态钒源对合成磷酸钒钠材料电化学性能的影响。通过化学还原法将V2O5中的五价钒分别还原为四价和三价,再合成磷酸钒钠。结果表明,三价钒为原材料合成的磷酸钒钠结晶性更好,具有更好的循环及倍率性能。2.使用五种不同的合成方法(一步水热法、两步水热法、溶胶凝胶法、电解-水热法、电解-溶胶凝胶法)来合成具有NASICON结构的磷酸钒钠正极材料,筛选出磷酸钒钠电极材料的最优合成方法。XRD测试证明了五种方法均能够成功合成出磷酸钒钠,其中两步水热法合成的材料衍射峰更加尖锐,材料结晶性更好,电化学阻抗最小,并且具有更优异的循环稳定性和倍率性能,表现出良好的电化学性能,是磷酸钒钠的最优合成方法。3.为克服NVP电子导电率低的缺点,我们采用碳包覆的方法提高NVP材料表面的电子传输速率,具体对碳源进行了筛选,分别使用柠檬酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及柠檬酸&PVP为碳源对磷酸钒钠进行碳包覆。结果表明,柠檬酸单独作为碳源能够更好地包覆材料,电化学阻抗更小,离子扩散系数更大,展现出更好的循环性能及倍率性能。4.为提高正极材料的长期循环稳定性,研究了两种含氟有机分子作为电解液添加剂对磷酸钒钠和镍锰酸锂电极材料的影响。实验结果表明,两种含氟添加剂均能够有效的提高磷酸钒钠和镍锰酸锂的长循环性能,两种含氟添加剂在循环过程中分解,分解产物包覆在电极材料与电解液接触界面,生成一层稳定的固体电解质界面膜,保护电极材料在循环过程中不被电解液侵蚀,因此能够增强电池的循环稳定性,延长电池寿命。
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