钠离子电池正极材料的储钠机制研究

摘 要钠离子电池凭借成本低廉的优势在大规模储能、智能电网等领域具有极大应用潜力。然而，相比于锂离子，钠离子的半径更大且质量更重，在嵌入/脱出电极材料的反应过程中引起晶格参数变化更大，容易造成材料结构坍塌；另外，钠离子在晶格间隙中扩散困难，使得反应动力学更为缓慢。以上瓶颈问题导致钠离子电池的高倍率性能和长循环稳定性能较差。因此，探寻适宜钠离子快速、稳定嵌入/脱出反应的主体晶格结构、开发高性能电极材料成为推进钠离子电池发展的关键。钠超离子导体（Natrium Super Ionic Conductor，NASICON）型化合物是一类理想的电极材料，其强共价的稳定三维结构为钠离子的可逆脱嵌提供了较大传输通道，弱的晶格相互作用有利于离子的快速迁移，分子可塑性便于材料的结构设计。本论文综述了最近五年的钠离子电池磷酸盐正极材料相关文献，并从最新研究合成的 NASICON 结构 Na4MnCr(PO4)3出发，针对其循环寿命较差的缺点，利用其易于改造的结构特性，在不大幅削弱其现有的高容量、高电压等优点的情况下，设计出一种 Zr4+掺杂的 Na4MnCr(PO4)3新型钠电正极材料。利用化学软件 Diamond 观察对比了 Zr4+掺杂前后材料的晶体结构，系统地分析了掺杂位点、数量以及掺杂工艺对材料性能的影响，并从多个角度分析了该类材料的储钠机制与电荷补偿机理，预计能够很好地改善其循环稳定性和倍率性能。- I -关键词： 钠离子电池，NASICON 型正极材料，离子掺杂，储钠机制Sodium-storage mechanism of the Zr4+ doped NASICON-type Na4MnCr(PO4)3 cathodeAbstractWith the advantage of low cost, the sodium-ion battery has great application potential in the fields of large-scale energy storage and smart grid. However, compared with lithium ions, sodium ions have a larger radius and a heavier mass, resulting in a greater change in lattice parameters in the reaction process of the embedded/deactivated electrode material, which may easily lead to the collapse of the material structure. Besides, it is difficult for sodium ions to diffuse in the lattice gap, resulting in slower reaction kinetics. As a result of the above bottleneck problems, the high multiplier performance an...