钠超离子导体材料在水系钠离子电池中的储钠性能研究

摘要

能源和环境危机是阻碍现代社会发展的两大障碍，而解决这两大危机的根本解决办法在于大规模使用清洁能源。在使用清洁能源的过程中，储能电池是核心技术之一，但目前昂贵的锂离子电池和低性能的铅酸电池等商业化电池技术尚不能满足大规模储能的需要，当前社会迫切需要一种低成本、高性能、长寿命和高安全性的储能电池，而钠离子电池就是满足这种需求的下一代规模储能电池技术，并得到越来越多研究人员的关注。
　　钠超离子导体材料（NASICON）因其开放稳定的3D结构和高钠离子传导速率等优点，在众多的钠离子电池材料中备受科研人员的青睐。但是这种类型的材料导电性较差，使得其电化学性能不佳。本文主要研究磷酸盐型的钠超离子导体型材料，通过简单的固相法合成正极材料Na3V2(PO4)3和负极材料NaTi2(PO4)3，针对这类型材料电子导电性差的缺点，分别用不同的包覆方法来增加它们的导电性，并研究其在水性钠离子电池中的储钠性能及其衰减机理。
　　首先，利用气相包碳技术在NaTi2(PO4)3颗粒表面形成碳包覆层，同时也在颗粒之间形成纤维状的碳管，进而在NaTi2(PO4)3颗粒表面形成导电网络，大大提高其导电性。所合成的NaTi2(PO4)3在1C的电流密度下，循环1000圈后放电比容量仍达110 mA h g-1，容量保持率达96％。利用聚苯胺导电高分子包覆在Na3V2(PO4)3表面，增加导电性，导电高分子复合的Na3V2(PO4)3在1C的电流密度下，循环500圈后容量仍有100.1 mA h g-1。
　　其次，我们研究了正极材料Na3V2(PO4)3和负极材料NaTi2(PO4)3在水系钠离子电池中的储钠性能，并揭示其容量衰减的原因。发现Na3V2(PO4)3在水系电解液中剧烈溶解，容量衰减很快。而负极材料在放电态时与氧气和水发生的反应是其容量衰减的主要原因。通过理论计算，发现调控水性电解液中的含氧量与酸碱度可以有效的抑制副反应的发生。NaTi2(PO4)3在无氧的环境下，当电解液的pH大于10时，副反应就可以得到有效抑制。为此，我们组装NiFe-PBA/NaTi2(PO4)3全电池，在pH=13的除氧电解液中，以4C的电流密度进行循环，1000圈后容量仍达42mA hg-1。
　　本论文工作表明水性钠离子电池性能衰减的原因可能来自正负极与电解液之间的溶解和副反应，通过选择结构稳定的正负极材料、调整水性电解液的pH值和含氧量，完全可构建低成本、长寿命的水性钠离子电池体系。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 钠离子电池结构

1.3 水系钠离子电池材料

1.4 研究内容及意义

第二章 试验方法

2.1 实验试剂及实验设备

2.2 材料分析与表征

2.3 电化学性能测试与表征

第三章 磷酸钒钠/PANI的合成和表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 Na3V2(PO4)3/PANI的结构和形貌表征

3.4 Na3V2(PO4)3/PANI的储钠性能研究

3.5 本章总结

第四章 磷酸钛钠合成和表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 NaTi2(PO4)3的结构和形貌表征

4.4 NaTi2(PO4)3的储钠性能研究

4.5 全电池

4.6 本章小结

第五章 基于磷酸钒钠和磷酸钛钠的水性钠离子电池研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 磷酸钒钠在水性电解液中的储钠性能

5.4 磷酸钛钠在水性电解液中的储钠性能

5.5 水系全电池

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 亮点

6.3 展望

致谢

参考文献