钠离子电池正极材料NaVPO4F及其掺杂化合物的电化学性能研究

论文摘要

在近年发展起来的可充电电池中,锂离子电池由于其优良的性能而在电子工业和电子产品中得到广泛的应用,如果能开发出具有更好电化学性能的钠离子电池,相对于锂离子电池来说,它将具有更多的优势,如它能明显地降低原材料的成本和能采用分解电压更低的电解液。因此,钠离子电池将是一种有前景的新型电池。本论文报道了用两段高温固相法制备NaVPO4F作为钠离子电池正极材料,并用傅立叶红外光谱（FT-IR）,原子吸收（AAS）,热重分析（TG/DTG）,X-射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,恒流充放电,循环伏安,交流阻抗等对其结构和性能进行了测试和表征。结果表明:600℃左右反应可以获得结构稳定、结晶性好的NaVPO4F,其晶型为简单单斜晶型。SEM测试表明NaVPO4F的粒径分布均匀,其大小在微米级,材料首次放电容量为86.3mAh/g。循环伏安曲线中有两对氧化还原峰,和充放电曲线上出现的两个充放电平台一致。本论文在高温固相法合成NaVPO4F的同时,掺杂Fe元素得到了NaV1-xFexPO4F（x=0-0.1）。红外光谱测试表明掺杂后的材料的振动吸收峰增强,Fe掺入越多,峰越往高波数方向移动,说明掺杂Fe可增强V-O键强度,掺杂Fe使材料的晶胞发生收缩,因此由于掺杂Fe元素,材料结构稳定性增加,循环性能更好。XRD测试证实了掺杂少量的Fe元素不影响材料的晶体结构,Fe成功地取代了V的位置得到了单相固溶体,掺杂Fe的量越多,吸收峰越锐利,峰强度越大,说明材料的结晶性能越好,电化学循环过程中材料的循环稳定性亦越好。掺Fe后的材料电化学循环稳定性得到较好的改善,其中NaV0.96Fe0.04PO4F和NaV0.94Fe0.06PO4F的首次放电容量分别为81.6mAh/g和74.5mAh/g,20次循环后的放电容量分别为66.7mAh/g和68.4mAh/g,而NaVPO4F的首次放电容量为86.3mAh/g,20次循环后的放电容量为62.9mAh/g。本论文还通过高温固相法合成掺杂Al元素的NaV1-xAlxPO4F（x=0,0.02）。红外光谱研究表明掺杂后的材料的振动吸收峰增强,掺杂Al后使材料的晶胞发生收缩,材料的结构稳定性增加,有利于循环稳定性的提高。XRD测试表明NaV0.98Al0.02PO4F与NaVPO4F具有相同的晶型,都为简单单斜晶型。SEM测试表明NaV0.98Al0.02PO4F的粒径分布更加均匀,均匀的结晶有利于材料电化学性能的改善。电化学性能测试表明:掺入Al后的材料电化学循环稳定性得到较好的改善,NaVPO4F的首次放电容量为86.3mAh/g,30次循环后的放电容量为50.4mAh/g,容量保持率为58.4%,NaV0.98Al0.02PO4F的首次放电容量为80.4mAh/g,30次循环后的放电容量为68.3mAh/g,容量保持率为85%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 钠离子电池的研究进展
• 1.2 钠离子电池负极材料的研究进展
• 1.3 电解质
• 1.4 钠离子电池层状正极材料的研究进展
• xCoO₂'>1.4.1 钠离子电池正极材料Na_xCoO₂
• xMnO₂'>1.4.2 钠离子电池正极材料Na_xMnO₂
• 4F 及其掺杂的研究进展'>1.5 钠离子电池正极材料 NaVPO₄F 及其掺杂的研究进展
• 4F 的研究进展'>1.5.1 NaVPO₄F 的研究进展
• 4F的掺杂化合物的研究进展'>1.5.2 NaVPO₄F的掺杂化合物的研究进展
• 1.6 本论文的目的和意义及其主要创新点
• 1.6.1 目的和意义
• 1.6.2 主要工作及创新点
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 主要实验试剂
• 2.1.2 主要实验仪器
• 4F 正极材料的制备'>2.2 NaVPO₄F 正极材料的制备
• 2.3 模拟电池的制备与组装
• 2.3.1 正极成型
• 2.3.2 模拟电池的装配及测试
• 2.4 原子吸收光谱分析（AAS）
• 2.5 热分析技术
• 2.6 傅立叶红外光谱分析（FIRT）
• 2.7 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.8 扫描电镜分析（SEM）
• 2.9 循环伏安分析（CV）
• 2.10 粒度分布测试方法
• 2.11 充放电分析
• 2.12 交流阻抗
• 4F 的合成与表征'>第三章 NaVPO₄F 的合成与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 4F 的制备'>3.2.1 NaVPO₄F 的制备
• 3.2.2 电池的制备和性能测试
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 球磨时间探讨
• 4F 正极材料的表征'>3.3.2 NaVPO₄F 正极材料的表征
• 4F-钠离子电池的电化学性能分析'>3.3.3 NaVPO₄F-钠离子电池的电化学性能分析
• 3.4 小结
• 1-xFe_xPO₄F 的合成及电化学性能研究'>第四章 NaV_1-xFe_xPO₄F 的合成及电化学性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验
• 4 的制备'>4.2.1 VPO₄的制备
• 4 的制备'>4.2.2 FePO₄的制备
• 1-xFe_xPO₄F 的制备'>4.2.3 NaV_1-xFe_xPO₄F 的制备
• 4.2.4 电池的制备及性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 红外光谱分析
• 4.3.2 XRD 分析
• 4.3.3 扫描电镜（SEM） 分析
• 4.3.4 电池的电化学性能测试
• 4.4 本章小结
• 1-xAl_xPO₄F 的合成及电化学性能研究'>第五章 NaV_1-xAl_xPO₄F 的合成及电化学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 4 的制备'>5.2.1 VPO₄的制备
• 4 的制备'>5.2.2 AlPO₄的制备
• 1-xAl_xPO₄F 的制备'>5.2.3 NaV_1-xAl_xPO₄F 的制备
• 5.2.4 电池的制备及性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 红外光谱分析
• 5.3.2 X 射线衍射（XRD）分析
• 5.3.3 扫描电镜（SEM） 分析
• 5.3.4 循环伏安（CV）测试
• 5.3.5 电池的电化学性能测试
• 5.4 本章小结
• 1-xM_xPO₄F（M=Al,Fe）与 NaVPO₄F 电池正极材料的比较研究'>第六章 NaV_1-xM_xPO₄F（M=Al,Fe）与 NaVPO₄F 电池正极材料的比较研究
• 6.1 概述
• 6.2 实验
• 6.2.1 电池的制备及性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 红外光谱分析
• 6.3.2 扫描电镜分析（SEM）
• 6.3.3 循环伏安测试
• 6.3.4 电池的电化学性能测试
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 前景与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读学位期间发表论文目录）