钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)3/C的制备及电化学性能研究

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NASICON型结构的磷酸钒钠(Na3V2(PO43,NVP)具有开放的三维框架结构,较高的充放电电压平台及优异的热稳定性能,作为钠离子电池正极材料的前景非常可观。但由于其结构所导致的固有的电子导电率低,限制了该材料的应用及商业化。针对这些问题,目前大多数研究者通过对Na3V2(PO43进行纳米化、包覆导电材料、金属离子掺杂来改善其电化学性能。其中,碳包覆被认为是提高Na3V2(PO43电化学性能的一种非常有效的方式。因此,本论文将通过几种不同的方法来改善电极材料的导电性并对其电化学性能进行研究,具体的研究内容如下:(一)通过简单的固相球磨法,以聚乙烯醇(PVA)作为碳源,制备了Na3V2(PO43/C的复合正极材料。当PVA添加量为15%时,Na3V2(PO43/C(NVP/C-15)表现出最佳的倍率和循环性能。通过微观形貌和物相结构测试,Na3V2(PO43纳米颗粒尺寸在200 nm左右,呈现无规则状态且分布较均匀。样品NVP/C-15分别在(0.1,0.5,1,2,5,10,15 C)电流密度下进行电流的充放电测试,结果表明,在0.1 C-10 C的倍率下,其初始放电容量分别为102,99,96,85,73,35 mAh g-1,0.1 C下50次循环后容量保持率为92%,因此,其电化学还需要进一步提高。(二)通过简单易控的静电纺丝法制备出Na3V2(PO43/C复合材料,其中NVP颗粒生长于碳纳米纤维基体上,使用PVA形成的导电碳纤维有利于NVP的结晶及生长。本章节系统的研究了静电纺丝的工艺参数和前驱体溶液的配制对纤维结构和电化学性能的影响。探索结果表明,选用PVA质量分数为10%的溶液作为聚合物纺丝液,纺丝液的流速为0.4 ml h-1,纺丝电压为25 kV。用铝箔进行收集,并保持与针头的距离为18cm,滚筒的转速为800 r min-1,将获得的纳米纤维膜进行热处理后将形成导电网络结构,它对提高Na3V2(PO43/CNFs复合材料的电化学性能起着至关重要的作用。正极材料NVP/CNFs在0.1 C的电流密度下具有106 mAh g-1的初始比容量,在1,5,10,20 C倍率下时,其放电比容量分别为103,79,63,32 mAh g-1,在0.1 C的电流密度下,循环100次后放电比容量可达100 mAh g-1,容量保持率高达94%。(三)基于简单灵活的静电纺丝法,再通过后期的热压处理工艺,成功制备出自支撑且无粘结剂的3D纳米纤维膜正极材料,这种纤维膜可以直接用于钠离子电池的工作电极。通过XRD,SEM,TEM及电化学性能等测试,结果表明,热处理的温度是控制Na3V2(PO43纳米颗粒在碳纤维表面上的尺寸和分散及材料整体结构的关键因素数。样品在800℃下(NVP/CNF-800)烧结时获得了尺寸最小(40 nm)且均匀的Na3V2(PO43纳米颗粒。此外,样品NVP/CNF-800也表现出最佳的电化学性能。例如,它在0.1,10,20,30 C的电流密度下初始放电容量分别高达109,84,77,71 mAh g-1的初始放电容量。NVP/CNF-800显示出超长循环稳定性,在2 C倍率下1000次循环后其容量保持率约为95.3%。这些优异的性能可归因于碳纤维形成的独特3D导电网络,不仅提高了电极材料的导电性,还可以阻止Na3V2(PO43纳米颗粒的聚集,并作为框架能缓冲重复充放电过程中的体积应变。
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