nasicon型磷酸钛钠和磷酸钒钠电极材料的制备与储钠性能

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1、学校代码10530学号201510121241分类号TB34密级公开硕士学位论文NASICON型磷酸钛钠和磷酸钒钠电极材料的制备与储钠性能学位申请人徐亮指导教师杨利文教授学院名称物理与光电工程学院学科专业电子科学与技术研究方向钠离子电池电极材料二○一八年五月十四日PreparationandPerformanceofNASICON-typeNaTi2(PO4)3andNa3V2(PO4)3asElectrodeMaterialsforSodium-ionBatteriesCandidateLiangXuSupervisorProfessorLiwenYangColle

2、geSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgramSodiumionbatteryelectrodematerialSpecializationElectronicscienceandtechnologyDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay14th2018摘要由于钠元素具备储量丰富、价格低廉、分布广阔和绿色环保等优势，钠离子电池(SIB)引起了研究人员的广泛关注。然而，由于钠离子的半径和摩尔质量相对较大的缘故，导致了钠离子电池的综合性能还不能与锂离子电

3、池媲美。为了推动钠离子电池在实际生活中的应用，必须研发出适合钠离子稳定嵌/脱的电极材料。在众多钠离子电极材料中，拥有钠超离子导体(NASICON)结构的聚阴离子型化合物极具应用的潜力。该类材料拥有开放式的三维框架晶体结构，在离子脱嵌过程中材料的体积变化非常小，有利于钠离子电池的循环稳定性。然而，这类材料的电子传导性能较差，严重影响其在高倍率电流下的电化学性能。本文主要针对NASICON型NaTi2(PO4)3(NTP)和Na3V2(PO4)3(NVP)两种电极材料进行研究，期望通过改变材料的微观形貌、与高导电碳材料复合以及制备自支撑复合电极的方法提高材料的储钠性能。主

4、要研究内容如下：(1)通过静电自组装、冷冻干燥、物理按压以及退火处理，制备了一种由NTP介孔纳米颗粒、碳化牛血清与还原氧化石墨烯(rGO)组成的自支撑复合材料。在该复合材料中，3D互连的rGO同时充当了导电剂与金属集流器，这不仅降低了电极的重量，而且还提高了材料的电子传导性。直接作为纽扣式钠离子半电池的负极，该材料在1C电流密度下的放电比容量为114mAhg-1，在50C的大电流密度下仍有52mAhg-1的放电比容量,在5C电流密度下反复循环1000圈后的比容量保持率为80%。此外，利用该自支撑复合材料作负极和碳包覆NVP作正极，组装了一种钠离子全电池。该全电池在1C

5、电流密度下展现出58mAhg-1的放电比容量，且循环100圈后的容量保持率高达98%。(2)通过静电自组装、真空抽滤以及高温退火制备出了由碳纳米管(CNTs)修饰的NVP微粒与CNTs组成的自支撑复合材料。在该复合材料中，三维互连的CNTs提供了电子传输的通道，从而极大提高了材料的导电性。直接作为纽扣式钠离子半电池的正极，该材料在1C电流密度下的首次放电比容量为110mAhg-1，在50C的大电流密度下仍有79mAhg-1的放电比容量。直接作为纽扣式钠离子半电池的负极，该材料在1C电流密度下的首次放电比容量为76mAhg-1，循环100圈后的容量保持率高达93%。此外

6、，利用该自支撑复合材料同时作为正/负极组装了一种对称的钠离子全电池。组装的全电池在0.5C下展现出55mAhg-1的放电比容量，且在0.9C下循环100圈后的容量保持率达76%。关键词：钠离子电池；NASICON结构；自支撑电极；NaTi2(PO4)3；Na3V2(PO4)3IAbstractSodiumionbatteries(SIBs)haveattractedincreasingattentionofresearchersduetoitsadvantagesofabundantresources,lowprice,widedistributionandgreen

7、environmentalprotection.However,sodiumionhasalargerradiusandmolarmassthanlithiumionandtheperformancesofSIBsarestillnotcomparabletothoseofLIBs.InordertopromotetheapplicationofSIBsinreallife,itisnecessarytodevelopakindofsuitableelectrodematerialsforrapidNa+insertion/extraction.In