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(shì)已經(jīng)成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的下一代高比能儲(chǔ)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(zhì)的種類(lèi)較少,并且各有較為明顯的缺點(diǎn)。層狀氧化物在鈉離子電池電極材料中應(yīng)用較多,該化合物具有大的離子遷移通道,穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu),較高的化學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使層狀氧化物有成為鈉離子固態(tài)電解質(zhì)的潛力。目前,關(guān)于層狀氧化物鈉離子固態(tài)電解質(zhì)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(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)Na_2Zn_2TeO_6(NZTO)和Na_2Mg_2TeO_6(NMTO),并通過(guò)微量元素對(duì)Na_2Zn_2TeO_6固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行摻雜改性研究,為新型鈉離子固態(tài)電解質(zhì)研究提供了新的思路。具體內(nèi)容如下:(1)通過(guò)傳統(tǒng)固相法成功合成了NZTO固態(tài)電解質(zhì)并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究。結(jié)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(jìn)行遷移。NZTO固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率為6.9×10~(-4)S cm~(-1),具有好的熱穩(wěn)定性和對(duì)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(duì)金屬Na負(fù)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(zhì)。(2)利用不同含量的Ga元素對(duì)NZTO的Zn位置進(jìn)行摻雜,并表征Ga元素?fù)诫s前后材料晶體結(jié)構(gòu)和離子傳導(dǎo)性能的變化,探究了Ga元素?fù)诫s對(duì)NZTO性能的影響機(jī)制。結(jié)果表明,Ga摻雜可以提高Na1位置上的空位含量,使遷移勢(shì)壘降低,從而提高材料的電導(dǎo)率。當(dāng)Ga摻雜量為0.1時(shí),Na_(1.9)Zn_(1.9)Ga_(0.1)TeO_6的室溫離子電導(dǎo)率為1.1×10~(-3)S cm~(-1),而且Ga摻雜提高了NZTO對(duì)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(duì)NZTO的Zn位置進(jìn)行摻雜并對(duì)Ca元素?fù)诫s后的材料晶體結(jié)構(gòu)和離子傳導(dǎo)性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明,與Ga摻雜對(duì)NZTO電導(dǎo)率的改善機(jī)制不同,Ca摻雜可以從擴(kuò)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(dǎo)率。但是,當(dāng)Ca摻雜量為0.02時(shí),材料的電導(dǎo)率達(dá)到最大值,為7.5×10~(-4)S cm~(-1)。在提高材料電導(dǎo)率的同時(shí),Ca摻雜提高了材料的電化學(xué)窗口,對(duì)潮濕空氣及金屬鈉負(fù)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(guò)傳統(tǒng)固相法成功合成了NMTO固態(tài)電解質(zhì)并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明,NMTO的晶體結(jié)構(gòu)與NZTO類(lèi)似,但是,鈉離子在NMTO中遷移勢(shì)壘大于在NZTO中的遷移勢(shì)壘。NMTO固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率為2.4×10~(-4)S cm~(-1)。與NZTO類(lèi)似,NMTO固態(tài)電解質(zhì)具有好的熱穩(wěn)定性和對(duì)潮濕空氣的穩(wěn)定性。但是,NMTO的電化學(xué)窗口達(dá)到4.2 V,大于NZTO的電化學(xué)窗口,同時(shí)NMTO對(duì)金屬Na負(fù)極的穩(wěn)定性較好。最后,對(duì)Na_3V_2(PO_4)_3/NMTO/Na全固態(tài)電池的測(cè)試結(jié)果表明NMTO有潛力在全固態(tài)鈉離子電池上得到應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：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(fù)極，隔膜，電解液，集流體等部組成。在充電時(shí)，鈉離子從正極脫出，經(jīng)電解液穿過(guò)隔膜，進(jìn)入負(fù)極，同時(shí)電子經(jīng)電路從正極移動(dòng)到負(fù)極[21]。而放電過(guò)程為充電過(guò)程的逆過(guò)程，鈉離子從負(fù)極脫出到正極并嵌入，同時(shí)電子經(jīng)外電路從負(fù)極移動(dòng)到正極，其工作原理與鋰離子電池類(lèi)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(diǎn)及與傳統(tǒng)鈉離子電池的區(qū)別示意圖

圖 1.3 目前報(bào)導(dǎo)的鈉離子固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)體系如圖 1.3 所示，主要包括無(wú)機(jī)固態(tài)電解合物固態(tài)電解質(zhì)，凝膠和復(fù)合材料。其中，聚合物電解質(zhì)一般由導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)鹽組成。常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物有 PEO、碳酸酯、PAN 等，常見(jiàn)鈉鹽有 NaPF6、NaC

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 邱振平;張英杰;夏書(shū)標(biāo);董鵬;;無(wú)機(jī)全固態(tài)鋰離子電池界面性能研究進(jìn)展[J];化學(xué)學(xué)報(bào);2015年10期

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

3 劉吉臻;;大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)問(wèn)題[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2013年16期

本文編號(hào)：2832496