摘要
不断增长的能源需求带来了巨大的环境挑战，如过量的二氧化碳和有害气体排放。因此，可再生和可持续清洁能源的应用开发迫在眉睫。清洁能源的间歇可用性和对时间、天气、季节和位置的依赖性使得有必要与大型固定储能系统连接。具有高库伦效率、环保、可调功率和能量输出的可充电电池被视为大规模固定式储能应用的最具竞争力的候选者。锂离子电池的优势在有比较高的能量密度和优异的循环性能，但易燃的非水电解质和锂资源的稀缺性导致的安全风险使其吸引力降低。水系钠离子电池是二次电池大规模应用最有前途的替代品，为了解决上述挑战，本论文从水系钠离子电池的集流体、电解液、正极材料入手来解决水系钠离子电池低能量密度和较差的循环寿命。利用碳集流体耐腐蚀的特点和凝胶电解质防止电解液泄漏，利用开发的新型正极材料提高水系钠离子电池的循环寿命。本论文的研究内容如下: （1）双极电极结构的水系钠离子电池的制备与电化学性能研究。我们通过焦耳加热法制备了石墨/无定形碳薄膜，使用聚丙烯酸和水配制了凝胶电解质，采用双极电极结构组装软包电池。制备的集流体与商用石墨纸的对比测试发现制备的集流体具有较好的防腐蚀性、较高的机械屈服强度和电导率、较优的疏水性和防渗透性。对不同比例的凝胶电解质的进行离子电导率、电化学窗口测试。通过分析得出34wt％的凝胶电解质的离子电导率最高，电化学窗口拓宽至2.7V。对双极电极结构的软包电池进行电化学测试。双极电极结构的软包电池表现出高达91％的库伦效率，循环圈数可高达4000圈，根据全电池的能量密度计算公式得出约为62Wh/kg。 （2）中熵取代隧道型Na0.44MnO2正极材料的设计及其电化学性能研究。采用固相烧结法制备Al、Ti、Co取代的Na0.44MnO2。通过改变三种元素的比例，得到不同的中熵取代样品。采用TEM得出中熵取代使得Na0.44MnO2的晶面间距扩大了。并对Na0.44Mn0.97Al0.01Ti0.01Co0.01（NMO-1）进行深入探究。通过XRD精修得出了所使用的取代离子Al、Ti、Co在Na0.44MnO2中所占据的位点和各位点的占比。组装了有机半电池和水系全电池使用蓝电系统测试。其中NMO-1有机半电池表现出最好的倍率性能（20C下80mAh/g）和最长的循环寿命（2000次容量保持80％）。水系钠离子全电池在1C倍率下充放电循环2000圈后，容量保持率为80％。
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