掺杂协同包覆改性对钠离子电池正极P2相层状材料性能影响的研究

作     者：李鑫 

作者单位：成都大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘小楠;贾永灿

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钠离子电池 P2型镍锰基氧化物 离子掺杂 表面包覆 协同作用 

摘      要：随着全球对可再生能源和清洁能源的需求增加,能源存储技术的重要性日益凸显。在碳中和和碳减排的双重挑战下,钠离子电池储能系统有助于实现能源转型目标,促进可持续发展,对于应对气候变化和能源安全具有重要意义。钠离子电池作为一种有潜力的储能解决方案,但钠电的正极材料开发仍面临着多重挑战。这些挑战包括电化学活性、结构稳定性、导电性和离子传输性能以及材料成本等方面。因此,当前的研究重点之一是寻找良好结构稳定性、优异导电性和离子传输性能、以及低成本和稳定性的正极材料。P2相层状氧化物由于其高比容量和低成本等优势,被认为是最具有发展前景的正极材料之一。然而其仍存在结构稳定性差、倍率性能差和比容量较低等问题。因此,本文通过对P2型层状氧化物进行离子掺杂和表面包覆协同改性的方法,实现其综合性能的提升,具体研究内容如下: 首先探究了钒（V）元素掺杂与NaVO（PO）F表面包覆对P2相层状氧化物材料结构与性能的影响。研究结果表明:钒元素的掺杂可以有效减小P2-NaNiMnO的晶粒尺寸,减少Na的扩散距离,从而提高其倍率能力。但是,其空气稳定性较差。在钒掺杂基础上,使用NaVO（PO）F表面包覆可以在不牺牲其倍率性能的条件下改善其空气稳定性。通过掺杂和包覆的协同改性,可得到保持最佳性能的NaNiMnVO@5wt%NaVO（PO）F复合正极。在1.5-4.1 V ***/Na的电压范围内,在850 m A g（5 C）电流密度下首次放电比容量可达169 m Ah g。综上,钒掺杂和磷酸盐表面包覆作用可以有效提升P2型镍锰基层状氧化物正极的性能。 其次钛（Ti）元素掺杂在高压区间可以获得更高的稳定性。基于此,为进一步提升P2相层状氧化物的工作电压和高压稳定性,探究钛掺杂与富锰层包覆的协同作用影响。实验结果表明,在2.0-4.4 V vs Na/Na电压区间内,适量的钛元素掺杂有效的提高材料的循环稳定性。在此基础上,进一步进行富锰层的表面包覆。在富锰层的包覆下,Mn取代部分Mn,有效抑制了钠离子嵌入脱出时的结构变形。研究结果表明,在钛掺杂和富锰层的协同作用下,P2相层状氧化物正极材料的倍率性能提升,在2 C的倍率下电极可以达到119 m Ah g的高比容量。同时,电极的稳定性显著提升,500次充放电循环后容量保持率达到71%。离子掺杂和包覆工艺的协同作用可以充分发挥各自的优势,实现综合性能的协同提升。