NAS ICO N型納米結(jié)構磷酸鈦鈉的設計及其儲鈉性能研究.pdf

1、鈉離子電池具有和鋰離子電池相似的“搖椅”式儲能機理，同時鈉元素在地殼中的儲量豐富、價格成本低廉，具有潛在的實際應用價值，是一種非常有潛力的新一代替代鋰離子電池的儲能體系。目前，影響鈉離子電池發(fā)展的主要因素是缺少高性能的電極材料，尤其是負極材料。本文以NASICON型NaTi2(PO4)3負極材料為研究對象，設計并制備具有特定微觀形貌的NaTi2(PO4)3與碳材料的納米復合材料，圍繞復合材料的設計、合成與制備、比容量、循環(huán)壽命和倍率特性

2、等主要性能指標，研究電極材料的晶體結(jié)構、微觀形貌、顆粒大小、比表面積等因素對其儲鈉電化學性能的影響。具體研究內(nèi)容如下：
　　1.NaTi2(PO4)3/石墨烯納米復合材料的制備及其儲鈉性能：采用溶劑熱法合成制備了NASICON型NaTi2(PO4)3與石墨烯的納米復合材料，其顯微組織形貌為高結(jié)晶度的NaTi2(PO4)3納米顆粒均勻地生長在石墨烯的表面上，形成二維片狀納米結(jié)構。進而探討了該復合材料的制備機理。該材料在1mol L-

3、1 Na2SO4水溶液電解質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在2C、5C、10C和20C電流密度下的充放電比容量分別為110、85、65和40mAh g-1，在2C倍率下經(jīng)100次充放電循環(huán)后，其放電比容量保持率仍為首次比容量的90％。
　　2.基于NaTi2(PO4)3/MWNTs-Na0.44MnO2水系鈉離子全電池的設計及其電化學性能：研究了以NaTi2(PO4)3/MWNTs納米復合材料為負極材料，Na0.44MnO2

4、納米棒為正極材料，1mol L-1 Na2SO4水溶液為電解液的水系鈉離子全電池體系。NaTi2(PO4)3和Na0.44MnO2都具有開放式框架晶體結(jié)構，易于鈉離子的快速傳輸。該全電池體系的工作電壓在1.1V左右，理論能量密度為58.7Wh kg-1，在2C倍率下經(jīng)300次充放電循環(huán)后的比容量保持在約50mAh g-1，相應的庫侖效率保持在95%左右。
　　3.氮摻雜碳包覆NaTi2(PO4)3納米復合材料的制備及其儲鈉性能：分

5、別以有機溶劑和離子液體([EMIM][TCCN])碳源，制備了碳包覆的NaTi2(PO4)3以及氮摻雜碳包覆的NaTi2(PO4)3納米復合材料，詳細探討了兩個電極材料在水系和有機電解液下的電化學性能。在1mol L-1 Na2SO4水溶液電解質(zhì)下兩個電極材料的傳荷電阻非常小，影響這兩個復合材料電化學性能的主要因素是鈉離子的擴散系數(shù)。由于NaTi2(PO4)3電極材料表面包覆了約10nm厚的碳層，表現(xiàn)出較為優(yōu)異的電化學性能，在20C電流

6、密度下的放電比容量為42.9mAh g-1；在1mol L-1 NaC lO4有機電解液體系中兩個電極材料的鈉離子擴散系數(shù)大致相同，傳荷電阻是影響電極材料電化學性能的決定因素。摻氮碳包覆的NaTi2(PO4)3電極材料具有較小的傳荷電阻，倍率性能良好，在2C倍率下的放電比容量為72.2mAh g-1。
　　4.介孔NaTi2(PO4)3/CMK-3納米復合材料的制備及其儲鈉性能：采用溶劑熱反應及熱處理合成制備了介孔NaTi2(PO

7、4)3/CMK-3納米復合材料，其微觀組織形貌為高結(jié)晶度的NaTi2(PO4)3納米顆粒均勻地嵌入在有序介孔碳的碳骨架介孔內(nèi)。該復合材料用作有機電解液體系下的鈉離子電池負極材料，則表現(xiàn)出較高的充放電比容量、優(yōu)異的倍率性能及長循環(huán)穩(wěn)定性，其在0.2C、0.5C、1C和2C電流密度下的比容量分別為101、76、58和39mAh g-1，在0.5C倍率下經(jīng)1000次充放電循環(huán)后的放電比容量約為62.9mAh g-1。與NaTi2(PO4)3電

8、極材料相比，介孔NaTi2(PO4)3/CMK-3納米復合材料獨特的“介孔-納米”結(jié)構使其具有較好的電化學性能。
　　5.一維MWNTs@NaTi2(PO4)3納米復合材料的制備及其儲鈉性能：采用溶劑熱及控制熱處理溫度的方法制備了具有一維同軸“核-殼”納米結(jié)構的MWNTs@NaTi2(PO4)3復合材料，其顯微形貌為高結(jié)晶度的NaTi2(PO4)3納米顆粒均勻地包覆在MWNTs表面上，形成以MWNTs為核、NaTi2(PO4)3納

9、米顆粒為殼的一維同軸“核-殼”納米結(jié)構。該復合材料用作有機電解液體系下的鈉離子電池負極材料，表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的電化學性能，具有高的充放電比容量、良好的倍率性能和長循環(huán)壽命，其在0.2C、0.5C、1C、2C、5C和10C電流密度下的比容量分別為97.4、76.6、68.9、61.9、51.5和41.4mAh g-1，在0.5C倍率下經(jīng)1000次充放電循環(huán)后的放電比容量約為61.6mAh g-1。這是由于其獨特的納米結(jié)構不僅能夠有效地縮短