几种多阴离子基新型钠离子电池正极材料的制备、结构与物性研究

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1、分类号:O43学校代码：10697密级:公开学号：201520574硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION几种多阴离子基新型钠离子电池正极材料的制备、结构与物性研究学科名称：光学工程作者：赵攀指导老师：高建华教授西北大学学位评定委员会二○一八年Syntheses,CrystalStructures,andPropertiesofSeveralNovelPolyanionic-basedCathodeMaterialsforSodium-ionBatteriesAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentofth

2、erequirementsforthedegreeofMasterinOpticalEngineeringByZhaoPanSupervisor:GaoJianhuaProfessorJune2018摘要资源短缺和环境污染等问题已经对人类社会生存和发展造成了严重的威胁。为了实现人类社会的可持续发展，开发利用可再生能源被认为是一个最有效的方法。在这种形势下，发展高效便捷的储能技术以满足人类能源需求已经成为世界范围内的研究热点。其中电化学储能最符合当今能源发展方向。在过去的三十年，锂离子电池（LIBS）已经发展得十分成熟，广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和电网电力存储等方面。不可忽视的是锂离子电

3、池原料和成本等问题，在一定的程度上限制了其进一步的发展。因此，研究和开发新型钠离子电池（NIBs）来满足储能需求，成为当前研究的热门课题。传统的锂、钠离子电池正极材料多为过渡金属层状氧化物，近些年来随着研究的深入，多阴离子基正极材料逐渐成为锂、钠离子电池正极材料的研究热点。多阴离子基正极材料与其他正极材料相比，主要具有高稳定性和高电压性等特性。根据阴离子种类可以分为磷酸盐、硼酸盐、硫酸盐以及钼酸盐型正极材料。本论文采用高温溶液法制备了NaxMy(MoO4)3(M=Mn,Fe,Co;x=2.67,3;y=1.67,1.5)和Na0.48Mn1.22PO4四种新型化合物的晶体，高温固相法和溶胶凝胶

4、法制备纯相粉末，并对其结构以及物性进行研究。NaxMy(MoO4)3单晶通过高温溶液法得到，属于Alluaudite矿型结构，空间群是C2/c。Na2.67Mn1.67(MoO4)3单胞参数为a=12.7445(16)Å，b=13.6694(17)Å，c=7.1892(9)Å，β=112.459°，V=1157.4(3)Å3，Z=4。Na3Co1.5(MoO4)3的单胞参数为a=12.6202(18)Å，b=13.5668(19)Å，c=7.1687(10)Å，β=112.24°，V=1136.1(3)Å3，Z=4。Na3Fe1.5(MoO4)3的单胞参数为a=12.6905(17)Å，b=1

5、3.6561(19)Å，c=7.1792(10)Å，β=112.62°，V=1148.48(100)Å3，Z=4。晶体结构基本是相似的，两个MO6八面体通过边共享O原子形成M2O10二聚体，M2O10二聚体与Mo(2)O4四面体通过顶点连接形成一个沿着bc方向延伸的面，这个面与Mo(1)O4连接形成一个三维框架，钠离子填充于三维框架保持电荷平衡。通过SEM分析纯相粉末的形貌，EDX分析元素含量。NaxMy(MoO4)3作为正极活性材料，钠片作为负极材料制备成纽扣电池，发现均可以有效的循环。以Na2.67Mn1.67(MoO4)3为例，在0.1C倍率下,Na2.67Mn1.67(MoO4)3的首

6、次放电容量可达92mAh/g，平均电压可达3.5V。INa0.48Mn1.22PO4单晶通过高温溶液法得到，空间群为R-3(N0.148)，单胞参数为a=15.3672(17)3Å，c=43.503(5)Å，V=8896.91(2)Å,Z=12。Mn(1)-Mn(9)与氧所形成的多面体通过顶角、边以及面共享形成一个三维Mn-O-Mn网状结构，PO4四面体的存在加强了三维Mn-O-Mn网状结构，钠离子处于网状结构中的空腔内。Na0.48Mn1.22PO4作为正极活性材料，钠片作为负极材料制备成纽扣电池，发现其在不同倍率下可以有效地循环，平均电压可达到3.3V左右。通过XANES分析证实该物质存在

7、微量的Mn3+。磁性分析证明材料中存在的是反铁磁性。关键词：钠离子电池，正极材料，钼酸盐，磷酸盐，高电压IIABSTRACTEnergyshortageandenvironmentpollutionhavethreatenedthesurvivalanddevelopmentofhumansociety.Inordertomaintainthesustainabledevelopmentofhum