【摘要】：鈉離子電池具有鋰離子電池相似的儲能機理,且擁有良好的安全性、較低的成本、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢,是一種有潛力的新一代儲能體系。然而,鈉離子較大的半徑使得其可逆充放電性能較差、比容量偏低以及倍率循環(huán)性能差,這些問題都限制了鈉離子電池的發(fā)展和實際應(yīng)用。因此開展提升鈉離子電池負極材料的電化學(xué)性能的相關(guān)研究對于鈉離子電池的長遠發(fā)展起著決定性的影響。在眾多被研究的鈉離子負極材料中,擁有三維開放式框架的鈉超離子導(dǎo)體型(NASICON)結(jié)構(gòu)的NaTi_2(PO_4)_3,由于其高的離子傳導(dǎo)性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性引起了人們廣泛的研究。但是這類材料較差的電子導(dǎo)電性,使得其倍率性能和循環(huán)性能不理想。本文將介孔NASICON型NaTi_2(PO_4)_3納米晶作為研究對象,采用金屬離子摻雜以及碳包覆的改性手段,對NaTi_2(PO_4)_3儲鈉性能的增強開展相關(guān)研究工作。主要內(nèi)容如下:(1)通過溶劑熱法和退火處理制備了不同含量的Gd~(3+)摻雜介孔NaTi_2(PO_4)_3納米晶材料。從微觀表征上可以看出摻雜后介孔納米晶的顆粒分布更加均勻。作為鈉離子電池負極材料,摻雜濃度為5%的材料在5C電流密度下初始比容量為84.5mA h g~(-1),循環(huán)2000次后比容量仍有63.4 mA h g~(-1),庫倫效率高于99%;在50C電流密度下比容量可高達47.5 mA h g~(-1),庫倫效率超過97%。動力學(xué)分析表明,Gd~(3+)引入介孔NaTi_2(PO_4)_3納米晶后,具有更高的電子導(dǎo)電性和離子遷移率。研究表明Gd~(3+)摻雜為提高NASICON型鈉離子電池負極材料的電化學(xué)性能提供了一種新的技術(shù)手段。(2)通過溶劑熱法以及退火處理制備了碳包覆Mn~(2+)摻雜介孔NaTi_2(PO_4)_3納米復(fù)合材料。從微觀表征上可以看出錳元素在介孔NaTi_2(PO_4)_3納米晶中分布均勻,表面包覆碳的厚度為2 nm左右。該復(fù)合材料通過制漿涂膜法用作鈉離子電池負極,表現(xiàn)出良好的鈉儲存性能。在0.5C、1C、2C、5C、10C、20C、30C和50C電流密度下充電比容量分別為120、118、115、110、106、102、99和95 mA h g~(-1);在電流為1C的情況下,循環(huán)200次后仍具有111.85 mA h g~(-1)的可逆儲鈉比容量;在20C大電流密度下循環(huán)1000次之后仍有92 mA h g~(-1)的比容量。研究表明這種碳包覆Mn~(2+)摻雜介孔NaTi_2(PO4)_3復(fù)合材料在高性能鈉離子電池方面具有巨大的應(yīng)用前景。
【圖文】：

要采用玻璃纖維制成[29-31]。類似的物化性質(zhì)使得 SIBs 有著與 LIBs 相似的工原理圖如圖 1.1 所示。在充電的過程中，在外加過隔膜，通過電解液的運輸嵌入到負極材料，同極，保證電池正負極之間的電荷平衡，其中電能轉(zhuǎn)成后，負極處于富鈉狀態(tài)。放電過程則相反，Na材料中，電子也經(jīng)過外部電路回到正極，其中化學(xué)電完成后，正極又恢復(fù)到富鈉態(tài)，負極又處于貧鈉鈉離子在正負極間的嵌入脫出可以看做是一種理因此也被形象地稱為“搖椅式電池”。若以 NaxMBs 的正極材料，碳材料作為其負極材料，那么正負如下：O2 Na1-xMO2+ xNa++xe- xNa++ xe- NaxC6O2+ 6C Na1-xMO2+ NaxC6

能有效地減短 Na 離子的擴散路徑，，從而增強其儲鈉性能。相關(guān)報道還有碳納米管[45]、中空碳納米球[46]、石墨烯[47]以及通過 N、S、P 等元素的摻雜碳材料[48,49]等，形貌如 1.2(d)~(f)所示。這些具有中空結(jié)構(gòu)的材料具有較短的 Na+擴散距離和較大的電極與電解質(zhì)的接觸面積，作為 SIBs 的負極時具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和倍率性能。(a) (b)(c)
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TM912

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本文編號：2657211