层状氧化物NaMnO2作为钠离子电池正极材料的改性研究

作     者：李昕儒 

作者单位：内蒙古大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐淑银

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：钠离子电池 层状正极材料 O’3型层状氧化物 硼掺杂 

摘      要：随着经济快速发展,新能源的发展问题备受关注。新型电子产品逐渐进入人们的日常生活,人们不仅希望电池有更低的价格,同时也希望其应具备高性能、高安全性等特点。钠元素含量丰富,且提取容易,所以钠离子电池是未来最有可能实现商业化的储能装置之一。钠离子正极材料中,具有相对较高比容量的锰基层状氧化物材料,因其较低的成本、环保无害等特点,受到了科研工作者广泛的关注。NaMnO层状正极材料得益于Mn元素低廉的价格,以及丰富的价态,研究人员对其产生了浓厚的兴趣。发现该材料具有较高的比容量,但由于Mn所引起的Jahn-Teller效应,导致其循环性能和倍率性能较差,因此改善该材料循环稳定性和倍率性能是实现其实际应用的关键。本文选取NaMnO为研究对象,通过固相法合成O’3型NaMnO层状氧化物正极材料,并对其进行惰性元素硼掺杂,研究硼对其结构和电化学性能的影响。使用X射线衍射仪(XRD)对掺杂前后的结构进行表征,之后再使用SEM、EDS对其进行形貌及元素分布分析。XRD及其Rietveld精修结果表明,掺杂后Na BMnO原始材料依然保持C2/m的空间群,O’3相结构没有改变。SEM测试结果显示原始材料和掺杂后样品的变化。EDS分析结果表明,Na、Mn、B、O元素均匀分布Na BMnO材料中。根据电化学性能测试的结果,表明了硼掺杂显著提高了NaMnO层状正极材料的循环性能和倍率性能,这可能归因于通过掺杂抑制Jahn-Teller效应提高了材料的容量保持率。在0.5 C下,1.5-4.0 V的电压范围内,Na BMnO可提供的最大放电容量为158 mAh g,100次循环后样品的容量保持率约为41.5%;循环伏安(CV)测试和原位XRD测试表明,经过硼元素掺杂后的材料可以在循环中更好的保持结构的稳定性。此外,我们选用同主族元素对原始NaMnO材料进行铝掺杂,通过铝掺杂显著地提高了材料的循环性能和倍率性能。在0.1 C倍率下,Na AlMnO正极材料的首周放电比容量约为162.9 mAh g;在0.5 C倍率下,100次循环后还可以提供约80 mAh g的放电容量,容量保持率约为50%。