类普鲁士蓝钠离子电池正极材料的制备与改性研究

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1、硕士学位论文类普鲁士蓝钠离子电池正极材料的制备与改性研究PREPARATIONANDMODIFICATIONOFPRUSSIANBLUEANALOGUESANDITSAPPLICATIONINSODIUMIONBATTERY靳晓诚哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TM912.9学校代码：10213国际图书分类号：544.6密级：公开工学硕士学位论文类普鲁士蓝钠离子电池正极材料的制备与改性研究硕士研究生：靳晓诚导师：AndrewBaker教授申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：深圳研究生院答辩日期

2、：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM912.9U.D.C:544.6AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringPREPARATIONANDMODIFICATIONOFPRUSSIANBLUEANALOGUESANDITSAPPLICATIONINSODIUMIONBATTERYCandidate：JinXiaoche

3、ngSupervisor：Prof.AndrewBakerAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialprocessingengineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着锂离子电池在便携硬件和电动汽车等领域的普及，对锂

4、的需求量急剧增加，而锂资源储量有限且分布不均，这将极大制约锂离子电池未来的可持续发展。钠与锂有相似的理化性能并且储量丰富，因此针对钠离子电池尤其正极材料的研究至关重要。低成本、环境友好的普鲁士蓝类钠盐材料因其三维隧道结构和工业化应用前景受到广泛关注，目前对该类材料的一致性、导电性，空位及结晶水控制等方面仍然存在诸多问题亟待改善。本文主要针对类普鲁士蓝材料进行制备与改性，对比筛选出最优方案并在有机和水系不同应用场景下对其进行测试和分析。本文采用共沉淀法制备引入相同比例不同种类过渡金属元素的钠盐类普鲁士蓝材料NaxMFe

5、(CN)6（M为Fe、Cu、Ni、Mn），筛选出最具应用价值的Na2FeFe(CN)6（简称PB）作为基体材料。依次采用共沉淀法、水热合成法、单铁源法三种制备方法得到不同形貌和电化学性能的Na2FeFe(CN)6材料。研究表明改进后的单一铁源法制备的材料晶粒有着清晰边缘和非常规整的立方体结构，尺寸分布在200nm-600nm，一致性最佳。在0.1C电流密度下进行恒流充放电测试，其充放电比容量最高达到144mAh-1•g，0.2C电流密度下循环200圈后容量保持率为98%，综合性能表现最优。以上述研究结果为基础，通过H

6、ummers法制备氧化石墨烯GO，将其超声分散在Na4Fe(CN)6水溶液中原位复合制备碳掺杂的Na2FeFe(CN)6@GO。PB颗粒依附在氧化石墨烯骨架上，形成性能优良的导电网络。与纯相PB材料相比，PB@GO的导电性与结构稳定性提升显著进而保证了材料的倍率和循环性能。在1C充放电倍率下，有机体系循环200次后比容量维持在120•mAhg-1，水系循环130次后可逆比容量为71mAh-1•g，容量保持率都高达95%以上。本文首先通过对过渡金属离子的筛选确定基体材料Na2FeFe(CN)6，对比不同的合成工艺得到最

7、合理的改进后的单铁源制备法，最后对单铁源法制备的Na2FeFe(CN)6进行氧化石墨烯的碳掺杂以提高其综合性能，并在有机和水系两种体系验证了该材料的工业化应用价值。关键词：钠离子电池；类普鲁士蓝；单铁源法；有机-水系电池；GO掺杂-I-AbstractAbstractWiththegrowingapplicationoflithiumionbatteryintheportablehardwareandelectricvehiclesorotherfields,thedemandoflithiumincreasesra

8、pidly.Lithiumreservesarelimitedandunevendistribution,whichwillgreatlyrestrictthesustainabledevelopmentoflithiumionbatteriesinthefuture.Comparedwithlithium,sodiumhassimilarph