论文部分内容阅读
随着风能、太阳能等可再生能源的快速发展,通常需要大规模储能系统以平稳地将这些间歇能量整合到电网中。锂离子电池由于能量密度和循环寿命等优势,已成功占领便携式电子设备市场,并被认为是电动汽车动力电源的最佳选择之一。但锂离子电池的广泛使用引起了对地壳中有限锂资源短缺的担忧。因此,资源丰富且价格低廉的钠离子电池再次引起研究者的兴趣。其中,钠离子电池正极材料对电池的性能起关键性作用,高性能正极材料亟待开发和突破。为此,本论文以聚阴离子磷酸盐正极材料作研究对象,以提高钠离子电池的倍率性能和长期寿命为目标,设计、优化电极材料的结构,并构建高能量密度全电池,具体的研究内容如下:（1）通过固相法成功制备了硫/氮共掺杂碳修饰的Na3V2（PO4）3纳米颗粒（NVP@NSC）。在这种分层结构中,Na3V2（PO4）3纳米粒子均匀地分散在硫/氮共掺杂碳包覆层中,通过构建相互交联的导电网络以降低电池反应内阻,缓解了Na3V2（PO4）3的聚集,并减少了电极与电解液之间的副反应。此外,双原子掺杂的协同作用能有效增加缺陷和反应活性位点,提高了反应动力学。由于这种优异的结构设计,NVP@NSC复合材料在1C时的放电容量为113.0 mA h g-1,并且在超高倍率50C下循环5000圈后,容量保持率达82.1%,显示出优异的倍率性能和长循环寿命。并且,即使在55℃高温环境中,在5C下循环1000后,仍能保持91.1 mA h g-1的可逆容量。硫/氮共掺杂碳修饰Na3V2（PO4）3的方法为提高正极材料的电化学性能提供了一种有效、可行的策略。（2）通过静电纺丝法制备均匀嵌入到多孔N-掺杂碳纳米纤维的Na3V2（PO4）2F3（NVPF@C）复合材料,以期获得最优化的储钠性能。将Na3V2（PO4）2F3纳米粒子嵌入到一维纳米纤维中,再相互交联形成独特的三维网络结构,可以有效地提高活性材料的利用率,促进电子/Na+离子的传输,并在长循环过程中维持材料的结构稳定性,进而获得良好的电化学性能。得益于复合材料优异的结构设计,NVPF@C纳米纤维在0.1C下可获得高达109.5 mA h g-1的可逆比容量,即使在30C的高电流密度下也能保持78.9 mA h g-1的容量。并且在50C高倍率下循环1500圈,容量保持率高达83.4%,显示了优异的倍率性能和长循环稳定性。并且,通过静电纺丝法制备的三维导电网络-纳米结构的概念可以借鉴用于制备其他电极材料。（3）对所制备改性的正极材料组装成全电池以进一步评估复合材料的实用性。优选地以硬碳作负极,NVP@NSC和NVPF@C作正极,全电池分别表现出329.0 Wh kg-1和357.3 Wh kg-1的高能量密度,且得益于电极材料独特的结构设计,全电池显示出优异的循环稳定性,在1C下循环120圈,容量保持率达到89.6%,全电池表现出可比的电化学性能。综上所述,本论文成功设计、合成了电化学性能优异的聚阴离子型复合材料,并对材料的储钠机理进行深入分析,说明了磷酸盐材料是高能量密度和长循环寿命钠离子电池正极材料的候选者之一。且全电池的构建为钠离子电池的实用化提供了一种可行的方案。通过进一步优化钠离子电池电极材料,对钠离子电池的发展具有深远意义。