鈉-鎂離子電池電極材料微納結(jié)構(gòu)設計及電化學性能研究.pdf

1、未來，電動汽車和儲能電網(wǎng)的大規(guī)模應用將會造成鋰源料價格大幅上揚和鋰離子電池成本過高的問題。由于全球有限的鋰資源無法滿足巨大的能源市場需求，而鈉/鎂離子電池儲能技術(shù)因其對環(huán)境的友好性、豐富的全球儲量、低廉的成本等優(yōu)勢被提議作為更便宜、更安全的下一代先進電池系統(tǒng)。在電池的基本組成中，電極材料的發(fā)展是提升鈉/鎂離子電池性能和降低成本的主要瓶頸。因此，設計和開發(fā)高性能電極材料、解決各類材料遇到的問題，對鈉/鎂離子電池的發(fā)展具有重要的科學意義和實

2、際應用價值。本論文旨在利用合理的結(jié)構(gòu)設計從而得到高性能鈉/鎂離子電池電極材料，同時在深入分析材料的結(jié)構(gòu)-陛能構(gòu)效關(guān)系基礎上尋找并發(fā)展新型高性能電極材料。主要的研究成果包括以下幾個方面:
　　1.設計并合成了一種球中球分級結(jié)構(gòu)的P2型Na0.7Ni0.18Mn0.64C00.18O2作為鈉離子電池正極材料。在氧化物正極材料中，這種微納結(jié)構(gòu)對電池性能的影響很少被研究。事實上，這項工作提供了一個有趣的研究模型，為理解鈉基層狀氧化物材料結(jié)

3、構(gòu)與電化學性能之間的構(gòu)效關(guān)系打下基礎。同時電化學結(jié)果表明該微納結(jié)構(gòu)材料不僅擁有超高的容量還具有優(yōu)異的倍率性能。此外，利用同步輻射X射線吸收譜學方法對其整個電化學過程進行了研究，結(jié)果表明該材料在整個過程中都有良好的可逆性。相信這一工作能夠為新型高性能鈉基層狀氧化物正極材料的設計提供一個嶄新思路，為鈉離子電池正極材料的發(fā)展開辟一個新的方向。
　　2.利用雙重策略設計并制備了單晶普魯士藍(FeHCFe)納米框架/單壁碳納米管(SWCNT

4、s)復合材料作為無粘結(jié)劑的鈉離子電池正極材料。設計普魯士藍的雜化復合結(jié)構(gòu)是提高該材料性能的有效方法。實驗結(jié)果表明這種復合材料表現(xiàn)出超高的倍率性能，在100C下的容量還有35.0mAh g-1;還有杰出的循環(huán)穩(wěn)定性，5C下500次循環(huán)容量保持率達到92％。通過全面的化學和結(jié)構(gòu)分析，借助軟、硬X射線吸收譜學，解釋了其性能提高的原因并描述了反應機制。這一工作對于以后發(fā)展新型高能廉價的其它普魯士藍類似物正極材料提供了一個很好的借鑒思路，有望被廣

5、泛應用于普魯士藍類似物正極材料的研究設計之中。
　　3.在上述合成普魯士藍工作的基礎上，利用制備的核殼結(jié)構(gòu)普魯士藍類似物@多巴胺作為模板，一步硫化、碳化得到一種Fe0.6Co0.3Ni0.1S2納米粒子限制在氮摻雜碳納米盒子材料。作為鈉離子電池負極，該材料具有更高的電子電導率和更豐富的氧化還原電對;外殼的碳層保護了活性顆粒，使得整個結(jié)構(gòu)在鈉離子反復脫嵌時可以保持完整。實驗結(jié)果表明該材料因為其特殊的設計而擁有了超乎尋常的電化學穩(wěn)定性

6、和倍率性能，是一種潛在的高性能負極材料。這樣的設計思路為開發(fā)具有更高容量和更優(yōu)秀電化學性能的新型微納負極材料提供了有益的啟示，拓展了金屬有機框架化合物衍生鈉離子電池電極材料的新思路。
　　4.采用層狀MoS2納米片作為鎂離子電池正極，以自制的[Mg2Cl3]+·[AlPh2Cl2]-/THF(APC)溶液為電解液，高純鎂箔(99.9％)為負極，在充滿氬氣的手套箱中進行了鎂離子電池的裝配，并對其進行了初步的電化學測試。測試結(jié)果顯示裝