全固態(tài)鈉離子電池以其更高的能量密度和安全性及更低的成本優(yōu)勢已經成為最具競爭力的下一代高比能儲能器件之一。作為全固態(tài)電池的核心部分,鈉離子固態(tài)電解質的種類較少,并且各有較為明顯的缺點。層狀氧化物在鈉離子電池電極材料中應用較多,該化合物具有大的離子遷移通道,穩(wěn)定的晶格結構,較高的化學、電化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使層狀氧化物有成為鈉離子固態(tài)電解質的潛力。目前,關于層狀氧化物鈉離子固態(tài)電解質的研究非常少,且性能較差。本論文采用傳統(tǒng)固相法制備了兩種性能優(yōu)異的P2型層狀結構固態(tài)電解質Na_2Zn_2TeO_6(NZTO)和Na_2Mg_2TeO_6(NMTO),并通過微量元素對Na_2Zn_2TeO_6固態(tài)電解質進行摻雜改性研究,為新型鈉離子固態(tài)電解質研究提供了新的思路。具體內容如下:(1)通過傳統(tǒng)固相法成功合成了NZTO固態(tài)電解質并對其結構和性能進行研究。結果表明,NZTO為P2型層狀氧化物,空間群為P6_322。鈉離子可以在NZTO層間進行遷移。NZTO固態(tài)電解質的室溫電導率為6.9×10~(-4)S cm~(-1),具有好的熱穩(wěn)定性和對潮濕空氣的穩(wěn)定性。NZTO具有4.02 V的電壓窗口和較好的對金屬Na負極的穩(wěn)定性。另外,Na_3V_2(PO_4)_3/NZTO/Na全固態(tài)電池可以正常工作,充分證明NZTO可以作為全固態(tài)鈉離子電池的固態(tài)電解質。(2)利用不同含量的Ga元素對NZTO的Zn位置進行摻雜,并表征Ga元素摻雜前后材料晶體結構和離子傳導性能的變化,探究了Ga元素摻雜對NZTO性能的影響機制。結果表明,Ga摻雜可以提高Na1位置上的空位含量,使遷移勢壘降低,從而提高材料的電導率。當Ga摻雜量為0.1時,Na_(1.9)Zn_(1.9)Ga_(0.1)TeO_6的室溫離子電導率為1.1×10~(-3)S cm~(-1),而且Ga摻雜提高了NZTO對Na的穩(wěn)定性。最后,Ga摻雜還可以提高全固態(tài)電池的循環(huán)性能,減小了電池的極化阻抗。(3)利用不同含量的Ca元素對NZTO的Zn位置進行摻雜并對Ca元素摻雜后的材料晶體結構和離子傳導性能進行表征。結果表明,與Ga摻雜對NZTO電導率的改善機制不同,Ca摻雜可以從擴大離子遷移通道,增加致密度及改變晶界處元素分布三方面提升NZTO的離子電導率。但是,當Ca摻雜量為0.02時,材料的電導率達到最大值,為7.5×10~(-4)S cm~(-1)。在提高材料電導率的同時,Ca摻雜提高了材料的電化學窗口,對潮濕空氣及金屬鈉負極的穩(wěn)定性。除此之外,Ca摻雜也提高了全固態(tài)鈉離子電池的循環(huán)性能。(4)通過傳統(tǒng)固相法成功合成了NMTO固態(tài)電解質并對其結構和性能進行研究。結果表明,NMTO的晶體結構與NZTO類似,但是,鈉離子在NMTO中遷移勢壘大于在NZTO中的遷移勢壘。NMTO固態(tài)電解質的室溫電導率為2.4×10~(-4)S cm~(-1)。與NZTO類似,NMTO固態(tài)電解質具有好的熱穩(wěn)定性和對潮濕空氣的穩(wěn)定性。但是,NMTO的電化學窗口達到4.2 V,大于NZTO的電化學窗口,同時NMTO對金屬Na負極的穩(wěn)定性較好。最后,對Na_3V_2(PO_4)_3/NMTO/Na全固態(tài)電池的測試結果表明NMTO有潛力在全固態(tài)鈉離子電池上得到應用。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

如圖 1-1 所示，傳統(tǒng)鈉離子電池主要由正極，負極，隔膜，電解液，集流體等部組成。在充電時，鈉離子從正極脫出，經電解液穿過隔膜，進入負極，同時電子經電路從正極移動到負極[21]。而放電過程為充電過程的逆過程，鈉離子從負極脫出到正極并嵌入，同時電子經外電路從負極移動到正極，其工作原理與鋰離子電池類似，以，鈉離子電池為典型的 “搖椅電池”或“濃差電池”。

全固態(tài)鈉離子電池的優(yōu)點及與傳統(tǒng)鈉離子電池的區(qū)別示意圖

圖 1.3 目前報導的鈉離子固態(tài)電解質的阿倫尼烏斯曲線圖[20]目前，廣泛研究的鈉離子固態(tài)電解質體系如圖 1.3 所示，主要包括無機固態(tài)電解合物固態(tài)電解質，凝膠和復合材料。其中，聚合物電解質一般由導電聚合物和導鹽組成。常見的導電聚合物有 PEO、碳酸酯、PAN 等，常見鈉鹽有 NaPF6、NaC

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 邱振平;張英杰;夏書標;董鵬;;無機全固態(tài)鋰離子電池界面性能研究進展[J];化學學報;2015年10期

2 杜祥琬;;能源革命:為了可持續(xù)發(fā)展的未來[J];中國人口.資源與環(huán)境;2014年07期

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本文編號：2832496