锰基普鲁士蓝类似物的电化学储钠性能研究

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普鲁士蓝类似物(PBAs)因其独特的3D框架结构、较大的离子通道、丰富的氧化还原位点、廉价的原材料和简便的制备方法等优点,成为钠离子电池(SIBs)最有潜力的正极材料之一。但PBAs存在着Fe(CN)6空位和晶格水等缺陷,其中晶格水可能会转移到电解液中,导致电解液发生变质;Fe(CN)6空位会破坏Fe-C≡N-M框架桥的连接,在Na+脱嵌过程中结构容易发生坍塌,并且Fe(CN)6空位会中断电子沿框架桥的传导,导致电极极化严重、电池性能不理想。因此减少Fe(CN)6空位和晶格水分子,可以有效改善PBAs的储钠性能。本论文通过调控PBAs的形貌结构、元素组成等来抑制结构缺陷、降低Fe(CN)6空位及晶格水的含量和提高电导率,从而获得具有高比容量、优异的循环性能以及倍率性能的SIBs正极材料。主要研究工作分为以下三个方面:1.采用螯合剂辅助法合成空心结构的锰基PBAs(K0.50Na0.24Mn[Fe(CN)6]0.91)作为SIBs正极。螯合剂的加入可以减缓PBAs合成速率,减少Fe(CN)6空位;中空结构不仅可以有效缓解充放电过程中的体积变化,而且可以缩短Na+传输距离;此外,Na+和K+两种不同碱金属离子的协同作用可以进一步提高其结构稳定性。实验结果表明空心结构的锰基PBAs具有高的可逆比容量(50 m A g-1电流密度下容量为145 m Ah g-1)、优异的倍率性能(3200 m A g-1电流密度下容量为72 m Ah g-1)和容量保持率(电流密度为3200 m A g-1时,经过1000次循环后,容量保持率90%)。2.采用简单的共沉淀法制备KxNayMn[Fe(CN)6]@3D骨架碳(KNMF@3DF C)复合材料作为SIBs正极。三维骨架碳不仅可以为KNMF的原位生长提供较大的空间,同时三维导电网络促进了电荷的快速转移;此外由于Na+和K+两种不同碱金属离子的协同作用,可以提高其充放电过程中的结构稳定性。KNMF@3DFC复合正极展现出高的可逆容量、良好的倍率性能和优异的循环稳定性。通过实验分析,表明3DFC的引入不仅可以提供额外容量,而且可以形成电容主导型的储钠机制,有效提高PBAs的倍率性能。3.结合高熵的概念,运用到SIBs的PBAs材料中,通过改变组成元素的种类和含量来调整离子构成,减少某一或者某些过渡金属离子在材料晶格中或者电池容量方面的缺陷,从而构造出性能优异的正极材料。通过改进的共沉淀法合成高熵普鲁士蓝类似物Na1.18Mn0.2Fe0.19Co0.2Ni0.18Zn0.22[Fe(CN)6]0.79(HE-PBAs)样品,其在50 m A g-1的电流密度下可以达到137 m Ah g-1的高比容量,在3200 m Ah g-1的电流密度下可以保持55 m Ah g-1的比容量。高熵策略可以降低电极材料合成过程中对某单一金属元素的依赖从而为开发各种二次电池的低成本电极材料提供一种思路。
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