本文關(guān)鍵詞：多元過渡金屬氧化物鈉離子電池電極材料的合成及性能研究　出處：《合肥工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：鈉離子電池(SIBs)因其原料儲量豐富、成本低廉等獨(dú)特的優(yōu)勢,將會在大規(guī)模儲能領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。但鈉離子半徑較大,因此尋找理想的電極材料是鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。P2型層狀過渡金屬氧化物因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、離子遷移率高、理論比容量高等特點(diǎn)成為SIBs電極材料的研究熱點(diǎn)。過渡金屬元素的多種價態(tài)間不同的氧化還原電位使其具有多個工作電壓,因此既可以作為鈉離子電池正極材料也可以作為負(fù)極材料。本研究通過多種不同的合成方法來制備多元過渡金屬氧化物電極材料,以期獲得多種形貌,顆粒尺寸均一的產(chǎn)物,然后對電極材料進(jìn)行表面處理,改善其電化學(xué)性能,并取得以下主要成果:(1)分別通過固相法和溶膠—凝膠法合成Na_(2/3)Ni_(1/6)Ti_(2/3)Co_(1/6)O_2(NNTC),探討了兩種制備方法的工藝參數(shù),并將產(chǎn)物進(jìn)行對比。通過固相法,以Na2CO3、NiO、TiO2、CoO為原料,在氬氣保護(hù)下950℃煅燒12h制得直徑約5μm,厚度約1-2μm的片狀純相NNTC;在溶膠—凝膠法中以鈦酸丁酯、C4H6O4Ni·4H2O、C4H6O4Co·4H2O和Na2CO3為原料合成前軀體,然后在氬氣保護(hù)下900℃煅燒12h合成出0.5-1μm顆粒狀純相NNTC。(2)為改善NNTC的導(dǎo)電性,以葡萄糖為原料對NNTC顆粒進(jìn)行碳包覆,探討了葡萄糖加入量對電池容量的影響。結(jié)果表明,當(dāng)葡萄糖加入量為10 wt%時,NNTC/C復(fù)合材料具有最優(yōu)異的電化學(xué)性能。NNTC/C在0.2-2.5V電壓區(qū)間內(nèi),0.2C倍率下進(jìn)行充放電測試,首次充/放電比容量為122/110 mA h g-1,在循環(huán)500次后,容量保持率依然能達(dá)到82%,表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電化學(xué)性能。XPS測試表明,在0.2-2.5V電壓區(qū)間內(nèi)進(jìn)行充放電測試,隨著鈉離子的嵌入和脫出,電極材料中只有Ti4+/Ti3+氧化還原電對發(fā)生電位變化。非原位XRD的測試結(jié)果表明,在鈉離子的遷移過程中,沒有新物相的產(chǎn)生,僅會引起NNTC晶體1.5%的晶胞體積變化率,循環(huán)過程高度可逆。(3)分別通過固相法和共沉淀法合成Na_(2/3)Ni_(1/3)Mn_(2/3)O_2(NNM),探討了兩種制備方法的工藝參數(shù),并將產(chǎn)物進(jìn)行對比。通過固相法,以NaCO3、NiO、MnO2為原料,在空氣中900℃煅燒12h可以制得直徑為1-2μm,厚度約0.5-1μm圓片狀NNM純相;共沉淀法合成NNM過程中,以MnSO4·H2O和NiSO4·6H2O為溶質(zhì),NH4HCO3為沉淀劑,加入少量乙醇后室溫下反應(yīng)3h生成球形的MnCO3、NiCO3的共沉淀物,與NaCO3混合后在鹽浴中空氣氣氛下900℃煅燒12h得到無規(guī)則形狀,尺寸大小不一的NNM樣品。(4)通過熔鹽法,以葡萄糖為碳源在LiCl/KCl(2:3)混合鹽體系中,氬氣保護(hù)下400℃反應(yīng)12h進(jìn)行碳負(fù)載,合成了三維網(wǎng)狀碳負(fù)載NNM的復(fù)合材料(NNM@C),改善了NNM的導(dǎo)電性。NNM@C電極材料碳含量約為9%時具有最優(yōu)異的電化學(xué)性能,NNM@C和NNM以0.2C倍率在2-3.9V電壓范圍內(nèi)充放電,放電比容量分別為93.18 mA h g-1和94.85 mA h g-1;在100次循環(huán)后,容量保持率分別為87%和49%,循環(huán)伏安和交流阻抗測試結(jié)果表明三維網(wǎng)狀碳負(fù)載后的NNM@C導(dǎo)電性增強(qiáng),電池內(nèi)阻明顯降低,純相NNM進(jìn)行碳負(fù)載后電化學(xué)性能明顯提高。
[Abstract]:Sodium ion battery (SIBs) because of its abundant raw materials, low cost and other unique advantages, will be able to play a great role in the field of mass storage. But the sodium ion radius, so the electrode materials is to find an ideal development of sodium ion battery key type.P2 layered transition metal oxide because of its stable structure, high ion mobility the theory of high specific capacity, has become a research hotspot of SIBs electrode materials. Various valence states of transition metal elements between the different redox potential which has a plurality of working voltage, therefore can be used as cathode materials of sodium ion battery can also be used as anode material. The synthetic method by different preparation of multi-element transition metal oxide electrode materials, in order to obtain a variety of morphology, uniform particle size of the product, and then the electrode material for surface treatment, improve its electrochemical performance, and get to The main results: (1) respectively by solid phase method and sol gel method for synthesis of Na_ (2/3) Ni_ (1/6) Ti_ (2/3) Co_ (1/6) O_2 (NNTC), discusses the process parameters of two kinds of preparation methods, and the products were compared. The solid phase method, Na2CO3, NiO. TiO2, CoO as raw materials, preparation of diameter of about 5 m under the protection of argon 950 8C 12h, thickness of about 1-2 m sheet in pure phase NNTC; sol-gel method with tetrabutyl titanate, C4H6O4Ni, 4H2O, C4H6O4Co, 4H2O and Na2CO3 as the raw material for the synthesis of the precursor, and then under the protection of argon 900 calcined 12h synthesis of 0.5-1 m particulate phase pure NNTC. (2) to improve the conductivity of NNTC, using glucose as raw material of carbon coated NNTC particles, discusses the effect of glucose addition on battery capacity. The results showed that when glucose was added 10 wt%, NNTC/C composite has the best. The electrochemical properties of.NNTC/C in 0.2-2.5V voltage area In charge and discharge test 0.2C rate, the initial charge / discharge capacity of 122/110 mA h in g-1, after 500 cycles, the capacity retention rate can still reach 82%, showed excellent electrochemical performance of.XPS test showed that the charge discharge test in 0.2-2.5V voltage range, with sodium ions and embedding extrusion, electrode material only Ti4+/Ti3+ redox potential changes to occur. The test results show that in situ XRD, the migration process of sodium ions, no new phase, only can cause the cell volume change of NNTC crystal rate of 1.5%, circulation process is highly reversible. (3) respectively by solid phase method and co precipitation method synthesis of Na_ (2/3) Ni_ (1/3) Mn_ (2/3) O_2 (NNM), discusses the process parameters of two kinds of preparation methods, and the products were compared. By solid-state method, using NaCO3, NiO, MnO2 as raw materials, calcined in air for 900 12h can be prepared with diameter 1 -2 m, a thickness of about 0.5-1 mu m flake NNM pure phase; co precipitation synthesis process of NNM, MnSO4, H2O and NiSO4 to 6H2O for the solute, NH4HCO3 as precipitant, adding a small amount of ethanol at room temperature after the reaction of 3H formation of spherical MnCO3 precipitates NiCO3, irregular shape after mixing with NaCO3 in the bath atmosphere 900 8C 12h, the size of a NNM sample. (4) by molten salt method, using glucose as carbon source in LiCl/KCl (2:3) mixed salt system, reacting at 400 DEG C 12h under argon carbon load, composite three-dimensional carbon supported NNM were synthesized. (NNM@C), to improve the conductivity of electrode materials of.NNM@C NNM carbon content is about 9% with the most excellent electrochemical performance, NNM@C and NNM with the rate of 0.2C in the voltage range of 2-3.9V charge and discharge, discharge were 93.18 mA and 94.85 h g-1 mA h g-1 capacity; after 100 cycles, the capacity retention rate respectively. For 87% and 49%, cyclic voltammetry and AC impedance test results showed that the conductivity of NNM@C increased after three dimensional net carbon loading, and the internal resistance of the battery decreased significantly. The pure phase NNM had a significant improvement in electrochemical performance after carbon loading.

【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM912

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本文編號：1417954