摘要
近年来，钠离子电池由于其低廉的成本与优异的电化学性能而受到人们的日益关注。钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，同时，相比于锂而言，钠具有更高的储量丰度和更低的开发成本。因此，研究钠离子电池对未来大规模储能电站的发展将具有极其深远的影响。当前，钠离子电池的发展还处于起步阶段，而电极材料是制约钠离子电池发展的瓶颈，因此，开发适用于钠离子电池的高性能电极材料迫在眉睫。含有氰根配位的普鲁士蓝类钠盐由于具有独特的三维隧道结构，可使Na+在其晶格中进行可逆脱嵌，引起了各国研究者的极大兴趣。本文主要围绕该类新型钠离子电池正极材料展开了系列研究工作，包括样品制备、表征及电化学性能测试与分析。 本文第一章首先介绍了钠离子电池的研究背景和钠离子电池的工作原理;而后介绍了目前钠离子电池电极材料的发展状况，并着重论述了各类钠离子电池正极材料的研究现状，据此提出本文的选题依据。 第二章详细介绍了本文中所用到的实验方法、试剂药品和仪器设备，此外，还重点介绍了常用的材料结构、形貌和成分等表征手段，以及扣式电池的组装方法和电化学性能测试方法。 第三章，通过简单易行的溶液共沉淀方法制备了普鲁士蓝类钠盐正极材料(FeHCF)，并在此基础上对FeHCF进行Ni2+掺杂，使其取代晶格中部分与N相连的Fe3+，从而得到一系列不同Fe、Ni比例的FeNiHCF正极材料，研究不同Ni2+含量对正极材料结构、形貌和电化学性能的影响。研究表明，当与N配位的Ni2+含量为20 at％时，FeNiHCF(20％)表现出最优的综合电化学性能。Ni2+的掺杂充分激活了低自旋的Fe2+/Fe3+氧化还原对，大幅度提高了电极材料在高电位的容量。同FeHCF相比，FeNiHCF(20％)具有更好的结晶性和更少的含水量。这种特性使得FeNiHCF同时展现出优异的循环稳定性、良好的倍率性能和高的库伦效率，在10mAg-1小电流密度下循环100次后容量仍能维持102 mAh g-1，容量保持率高达96％，在500 mA g-1大电流密度下容量仍有71 mAh g-1。 第四章，利用单一源法原位制备了原位复合科琴黑的普鲁士蓝(PB@C)钠离子电池正极材料。通过这一方法，可以使PB颗粒与高导电性的科琴黑链状碳颗粒均匀复合在一起，碳提供了快速的电子传输通道，从而提高了PB@C复合电极的导电性。并且，与非原位复合科琴黑的PB/C相比，PB@C中的PB颗粒尺寸明显减小，缩短了Na+在活性材料内部的扩散路径，同时较小的颗粒比表面积更大，提高了材料的电化学反应活性。基于上述优点，PB@C电极表现出优异的循环稳定性和倍率性能。在2 A g-1的超高电流密度下，最大放电比容量为100mAh g-1，经过2000次循环后仍有90％的容量保持率。在不同电流密度下进行倍率性能测试，当电流密度高达9.0 A g-1时，PB@C电极还能保持77.5mAh g-1的放电比容量。另外，将其与硬碳负极组装了全电池，在100 mA g-1电流密度下放电比容量仍有为120 mAh g-1。 最后，在第五章中，系统总结了本论文的研究内容，并提出了未来的发展方向与建议。
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