p2型锰基钠离子电池正极材料的制备及其电化学性能研究

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1、学校代码10530学号201330101174分类号TM912密级公开硕士学位论文P2型锰基钠离子电池正极材料的制备及其电化学性能研究学位申请人许希军指导教师刘军讲师学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向新型能源材料与器件二零一六年六月PreparationandElectrochemistryStudyofLayeredP2-typeManganese-BasedCathodeMaterialsforSodium-ionBatteriesCandidateXijunXuSupervisorLecturerJunLiuCollegeMaterial

2、sScienceandEngineeringProgramNewEnergyMaterialsandDevicesSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDateJune2016瀬潭大学学位论文原倒性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加Ｗ标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和

3、集体，均已在文中ｔｉｌ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：Ｗ乂年《月日学位论文販权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇’编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。／＾作者签名；日期；从知（月日导师签名：日期如，知６月日灰長５Ｉ摘要P2型锰基钠离子电池正极材料，由

4、于其价格低廉、原材料丰富、对环境友好等优点。但是锰系P2型层状结构正极材料的进一步应用受到以下几方面的限制：(1)钠离子半径(1.02Å)是锂离子(0.70Å)的1.5倍左右，较大的离子半径，影响了Na+在晶体结构中的脱嵌，从而影响其大电流充放电性能。(2)锰基层状结构钠离子电池正极材料电导率较低大的电流下，存在严重的极化，会阻碍Na+和电子在结构中迁移。(3)Mn3+在充放电过程中可能发生自身歧化而溶于电解液，导致材料结构破坏。针对上述问题，本论文将利用掺杂改性和不同制备方法结合起来，期望能在提高P2型层状结构循环性能的同时改善其倍率性能。首先，采用固相法制备了P

5、2型层状的Na0.4Mn0.54Co0.46O2和Na0.4Co0.6Mn0.4O2正极材料并分析了钴元素对材料结构和电化学性能的影响。发现P2型材料掺杂钴含量太高，会降低材料的比容量。对比两种材料发现，当Mn和Co比例接近6:5时，制备的P2型材料有较高的可逆比容量和不错的倍率性能，说明适量的Co掺杂有效的改善了锰基材料的电化学性能，Na0.4Mn0.54Co0.46O2在20mA/g的电流下循环60次后，比容量还能达到125mAh/g。针对制备P2型Na0.4Mn0.54Co0.46O2正极材料倍率性能不好和电压平台较低的问题，选择掺入一部分镍元素来提高其平均电

6、压和降低可溶解Mn3+的溶度。采用胶-凝胶法和共沉淀法制备了三元锰基正极材料Na0.50Mn0.53Ni0.22Co0.25O2(S1),Na0.54Mn0.52Co0.26Ni0.22O2(C1)。发现材料的循环性能得到了改善，同时，镍元素的加入使得材料的首次放电的平均电压由2.45V提高到了3.15V，S1样品在20mA/g的电流密度下，在180个循环后可逆比容量还能达到106mAh/g。同时，S1和C1样品电化学性能都比Na0.4Mn0.54Co0.46O2好，证明了镍掺杂能提高材料的充放电电压，改善P2型材料的循环性能。为了进一步提P2型材料的倍率性能，我们

7、尝试用共沉淀法制备了非活性的镁离子掺杂的P2型Na0.72Mn0.8Co0.15Mg0.05O2正极材料。用部分Co和Mg元素替代Mn提高了P2锰基正极材料的平均电压，降低了材料中Mn3+的溶度，减少了Jahn-Teller效应对其电化学性能的影响。P2型Na0.72Mn0.8Co0.15Mg0.05O2正极材料在30mA/g的电流下200个循环后，比容量还能达到90mAh/g，说明镁掺杂的P2型Na0.72Mn0.8Co0.15Mg0.05O2正极材料具有良好的循环性能和倍率性能。关键词：钠离子电池；正极材料；层状材料；六方纳米片；掺杂改性IAbstractL