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【本刊精選】《鈉離子電池錳酸鈉系正極材料的研究進展》

論文品鑒  Paper traits

【本刊精選】《鈉離子電池錳酸鈉系正極材料的研究進展》

來源:
《電源技術》編輯部
發布時間:
2019/07/18
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201903期刊載了西南科技大學馬小玲女士的文章鈉離子電池錳酸鈉系正極材料的研究進展

該文章主要內容:在鈉離子電池的正極材料中,錳酸鈉系正極材料具有成本低、無毒和比容量較高等優點。

該文主要值得注意的要點:

1錳酸鈉正極材料的結構O3型結構和P2結構

2介紹了一元和多元體系錳酸鈉正極材料

摘抄該文部分內容如下

鈉離子電池與鋰離子電池具有相同的原理和結構鈉離子電池充電示意圖1

1 鈉離子電池充電示意圖

1 錳酸鈉正極材料的結構

層狀NaxMnO2的結構由Mn-O八面體,通過共邊形成層狀結構,不同取向的層沿c軸方向排列,Na+位于層間。NaxMnO2的主要結構有On型和Pn型,O代表Na+位于八面體結構中,P表示Na+位于三棱柱位置;n表示單位晶胞中MnO2的層數(n=123)。常見NaxMnO2電極材料的為O3型結構和P2結構[4]

O3型結構,Na+按八面體緊密堆積,見圖2

P2型和O3型Nax[Fe1/2Mn1/2]O2電極材料組裝電池的循環性能見圖3

六方水鈉錳礦層狀結構,見4 [6-7]

2 錳酸鈉正極材料研究現狀

2.1 一元NaxMnO2材料

NaxMnO2材料中,Na的含量將影響材料的結構,從而影響材料的電化學性能。Yang等人[8]Na2CO3Mn(CH3CO2)2?4 H2O為原料,加入水中混合均勻后,在250 保溫12 h后,將醋酸鹽分解掉,接著在600 保溫1 h,制備了NaxMnO2+δx = 0.40.50.60.71.0δ=00.3)。研究發現x=0.4時,具有隧道結構的單斜鋇硬錳礦Na0.4MnO2被觀察到;x=0.5時,試樣中有部分層狀的P2型結構生成;當x=0.60.7時,試樣的晶體結構為P2型;當x=1.0時,試樣中除P2型的物質外,還含有不純的Na0.91MnO2。研究發現Na0.6MnO2+δNa0.7MnO2+δ具有較好的充放電容量和循環性能。在電壓范圍為2.04.3 V、放電電流為25 mA/g時,Na0.6MnO2+δ循環第二次后的放電容量為188 mAh/g ,循環40次后,容量保持率為77.9%Na0.7MnO2+δ循環第二次后放電容量為176 mAh/g,循環40次后,容量保持率為85.5%。當充放電電流為250 mA/g時,Na0.7MnO2+δ循環40次后,容量為107 mAh/g。

Song [9]用碘化鉀還原高錳酸鉀鈉,再在600 煅燒后,得到了P2Na0.53MnO2+d,在電壓范圍為1.03.2 V、放電平臺為2.1 V,初次放電容量為170 mAh/g。

Guo [7]0.6 mol的NaOH 2 mol的H2O2混合,快速0.3 mol的Mn(NO3)2溶液中,快速攪拌30 min,將得到的沉淀和2 mol的 NaOH溶液移入到120 mL內襯為Teflon的不銹鋼的高壓釜中,在150 保溫16 h。過濾、洗滌,烘干后得到具有水鈉錳礦結構的NaMn3O5?n H2O,在200 ℃條件下脫水1 h后,得到NaMn3O5。在電壓范圍為1.54.7 V,層狀的NaMn3O5與金屬鈉組成對電極Na/Na+時,放電容量為219 mAh/g,為目前放電容量最高的錳酸鹽電極材料,但其循環性能較差,循環20次后,容量保持率僅為70%(不同層狀錳酸鈉電極材料的放電容量和能量,示于圖5)。

為改善材料的性能,常將其進行納米化。Su等 [10](NH4)2S2O81 mmolMnSO4?H2O溶于20 mL去離子水中,攪拌均勻后,得到透明溶液,加入0.5 mmol Na2SO4,攪拌后,加入到Teflon不銹鋼高壓釜中,在220 ℃條件下保溫6 h,通過水熱法制備了單晶Na0.7MnO2納米顆粒,顆粒長500 nm,寬200 nm。組裝成電池后,理論容量為170 mAh/g,實際放電容量達163 mAh/g。

2.2 多元NaxMnO2材料

雖然NaxMnO2材料具有較好的性能,但其電化學性能還需提高,主要因為電容量較低;Jahn-Teller效應使材料的循環性能較差,為改善材料的性能,常通過摻入其它元素,改善材料結構,減小Jahn-Teller效應,從而改善其電化學性能。

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