溶膠-凝膠法制備新型水系鈉離子電池正極材料Na0.44MnO2及電化學(xué)性能研究

摘要通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)熱干燥法，將冷凍干燥技術(shù)成功應(yīng)用于溶膠凝膠法中，制備新型水系鈉離子電池正極材料Na0.44MnO2，并對(duì)兩種方法制備樣品的結(jié)構(gòu)、形貌以及電化學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究。X-射線衍射（XRD）結(jié)果表明，通過(guò)冷凍干燥法和傳統(tǒng)熱干燥法制備出的正極材料Na0.44MnO2都有相同的晶體結(jié)構(gòu)，樣品衍射峰形尖銳，材料結(jié)晶度高。掃描電鏡（SEM）分析表明，與熱干燥樣品相比，冷凍干燥法合成的樣品呈棒狀結(jié)構(gòu)，大小更均勻，團(tuán)聚程度很低。透射電鏡（TEM）分析表明，冷凍干燥法制備的樣品為結(jié)構(gòu)規(guī)整的長(zhǎng)方體棒狀結(jié)構(gòu)，大小為400nm左右。在電化學(xué)性能方面，冷凍干燥法制備的正極材料Na0.44MnO2表現(xiàn)出更為滿意的結(jié)果，此方法制備的正極材料Na0.44MnO2其電化學(xué)活性更高，倍率性能和循環(huán)性能更優(yōu)異，并且可逆性好。引言目前鋰離子電池商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但是鋰的儲(chǔ)量是非常有限的，且分布不均勻，這將會(huì)使人類面臨鋰資源枯竭的問(wèn)題，那么開發(fā)新的儲(chǔ)能材料就顯得尤為重要。與鋰元素相比，鈉元素同樣也屬于第IA族堿金屬元素，物理和化學(xué)性質(zhì)方面十分相似，且鈉和鋰的電極電勢(shì)很接近，因此完全有可能將鈉離子制備成能夠廣泛應(yīng)用的二次電池，而且鈉資源具有儲(chǔ)量豐富，成本低等優(yōu)點(diǎn)，使鈉離子電池具有更大的潛力和吸引力?；诔杀竞桶踩砸蛩氐目紤]，對(duì)于大多數(shù)固定式儲(chǔ)能場(chǎng)合，水溶液電解質(zhì)體系由于具有安全性高、生產(chǎn)條件寬松、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，同時(shí)鈉離子水合離子移動(dòng)速率更快、電導(dǎo)率高，即使大尺寸的電極也能滿足其效率和能量密度。因此水系鈉離子電池將會(huì)成為潛力很大的儲(chǔ)能系統(tǒng)電池。

正文部分1

實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

實(shí)驗(yàn)方法1.2.1

材料的制備稱取2.1250g硝酸鈉和12.2500g四水乙酸錳，溶于適量的蒸餾水中，然后進(jìn)行混合攪拌，將攪拌后的溶液緩慢滴加到2mol/L檸檬酸溶液中，使其pH調(diào)至6.5，再放到磁力攪拌器中攪拌（溫度80

℃，時(shí)長(zhǎng)4

h），待水分蒸發(fā)后放入冰箱冷凍，再采用冷凍干燥機(jī)將水分完全蒸發(fā)得到前驅(qū)體，最后將材料在預(yù)先設(shè)置溫度為500

℃的馬弗爐中恒溫4

h，進(jìn)行研磨后，再在850

℃馬弗爐中恒溫10

h進(jìn)行燒結(jié)，取出冷卻至室溫得到Na0.44MnO2材料。1.2.2

結(jié)構(gòu)與形貌表征應(yīng)用XRD分析Na0.44MnO2的晶體結(jié)構(gòu)

(測(cè)試條件：選取Cu靶材

(Kα射線)，管壓40kV，管流250mA，掃描范圍2θ為0°～60°)。應(yīng)用SEM和TEM表征正極材料Na0.44MnO2的形貌。1.2.3

電池的組裝1.2.4

電化學(xué)性能測(cè)試使用藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電池充放電性能測(cè)試（測(cè)定條件為：電壓設(shè)定在0.5～2.0V之間，1

C=200mAh/g）。采用電化學(xué)工作站進(jìn)行CV測(cè)試（測(cè)定條件為：電壓設(shè)定在0.5～2.0V之間，掃描速率為0.1mV/s）。

2

結(jié)果與討論2.1

結(jié)構(gòu)與形貌表征通過(guò)X射線衍射（XRD）分析制備樣品的晶體結(jié)構(gòu)。2.2

電化學(xué)性能分析由冷凍干燥法和傳統(tǒng)干燥法制備的樣品的循環(huán)伏安曲線（CV），掃描速率為0.1mV/s，如圖4所示（冷凍干燥樣品為圖4a，傳統(tǒng)熱干燥樣品為圖4b）。

3

結(jié)論結(jié)論本文通過(guò)改進(jìn)普通熱干燥法，成功將冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用于溶膠凝膠法中合成新型水系鈉離子正極材料Na0.44MnO2，進(jìn)行了兩種合成方法對(duì)材料結(jié)構(gòu)、晶體形貌及電化學(xué)性能方面的對(duì)比研究。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)冷凍干燥處理的正極材料具有好的結(jié)晶度和高的純度，材料形貌為長(zhǎng)方體棒狀結(jié)構(gòu)，大小更加均勻規(guī)整，無(wú)缺陷，尺寸大小在400nm左右，并且間隙大更加疏松，基本無(wú)團(tuán)聚。在電化學(xué)性能方面，該法制備的正極材料Na0.