基于钠过渡金属磷酸盐体系相图的钠离子电池正极材料结构及电化学性能研究

With the rapid development of renewable energy sources, such as the wind and the sun, large-scale electric energy storage systems are becoming extremely important to realize the smooth integration of these intermittent energies into the grid. The latter application raises concern for a possible shortage of the limited lithium resources in the Earth’s crust. Therefore, alternatively, room temperature sodium ion batteries have again aroused a great deal of interest recently, particularly for largescale stationary energy storage applications, due to the practically infinite sodium resources and their low cost. In this project, the subsolidus phase relations in the Na2O-MxOy-P2O5(M=Fe,Co, Ni, Mn, V) ternary system will be systematically investigated by means of X-ray diffraction (XRD) pattern. The relationship between composition, crystal structure, electronic structure, transport of charge carriers, the face/interface and phase transition, and electrochemical properties of the compounds within Na2O-MxOy binary system (sodium transition metal oxides) and Na2O-MxOy-P2O5 ternary system (sodium transition metal phosphates) will be studied using X-ray, TEM, SEM, PPMS, EELS etc., and the theoretic calculation by using first-principles investigation. The influence of the variation of microstructure and electronoic structure on the electro- chemical properties will be studied in detail. The results obtained from this project will play an important role on the search for newly cathode materials used for sodium ion battery.

对太阳能、风能用存储设备而言，电池的低成本和高安全性成为极其重要的指标。由于钠储量丰富、价格低廉使得钠离子电池的研究近年来受到人们的广泛关注。其中，电极材料依然是钠离子电池技术最终走向大规模应用的关键。本申请项目以开发新型钠离子电池正极材料为目的，在完成Na2O-MxOy -P2O5(M=Fe,Co, Ni, Mn, V等)三元体系相图的基础上，重点研究二元(Na2O-MxOy)(钠过渡金属氧化物体系)和三元(Na2O-MxO-P2O5) (磷酸盐体系)体系化合物的成相规律、微结构及相的稳定性和变化规律，特别是对其中可能存在的钠过渡金属氧化物及磷酸盐体系新化合物的晶体结构、电子结构与性能的关系进行研究，阐明微观结构的变化对电池充放电性能影响的机制，为新型钠离子电池正极材料的研究提供依据。开发出新型钠离子电池正极材料新产品1-3项，在国内外重要学术刊物发SCI论文15篇以上.

本项目以开发新型钠离子电池正极材料为目的，在研究Na2O-P2O5，Na2O-MnO，和MnO-P2O5二元体系相关系的基础上，首次完成了Na2O-MnO-P2O5三元体系固相线下的相关系，在该三元体系中首次发现了Na2Mn8(PO4)6和Na3Mn2(P2O7)(PO4)两个新的化和物，并对新化合物的晶体结构进行了解析，重点研究了Na3Mn2(P2O7)(PO4)新化和物的电化学性能。研究了Na2O-MnO-P2O5三元体系中的Na2Mn3(P2O7)2化和物Mn位Fe掺杂的晶体结构及电化学性能。.首次完成了Na2O-FeO-P2O5三元体系的其相关系，并首次发现了一个新的铁基磷酸盐化合物NaxFe4(PO4)3(1.1 ≤ x ≤ 1.2)，它属于P21/n空间群。详细研究了NaxFe4(PO4)3铁基磷酸盐化合物的固溶区、晶体结构及电化学型能。详细研究了Na2O-FeO-P2O5三元系统中Na2FeP2O7化合物固溶体系(Na2-2xFe1+xP2O7)的晶体结构、固溶区长度及电化学性能。.首次发现了一种新型磷锰钠石结构化合物Na2VFe(PO4)3/C，并对其晶体结构和作为钠离子电池电极材料的电化学性能进行了研究。由于钒的价态处于最高价态（+5价）的Li3VO4在还原性气氛下仍可稳定存在以及Li3PO4相比于Li3VO4更具有结构稳定和离子扩散传输的优势，我们对Li3VO4–Li3PO4固溶体系的晶体结构和电化学性能进行了研究。重点研究了V位P掺杂Li3V1-xPxO4 (0.0 ≤ x ≤ 1.0)体系的晶体结构和电化学性能。.我们发现了新的钒和锰基磷锰钠铁石型化合物Na2VMn2(PO4)3/C，并研究了其作为钠离子电池正极材料的电化学性能。设计合成了一系列纳米晶协同富Mo空位和N-C单元的氮掺杂碳包覆三维交错孔纳米形貌MoxC@N-CMoxC@N-C材料，并表现出优异的锂离子存储性能。研究开发了一种模板牺牲法成功合成了一系列原子级分散的Co-N位点和Co原子团簇组成的三维（3D）多孔Con@N-C杂化材料，其作为LIBs负极材料表现出优异的锂离子存储性能。在过渡金属碳化物中，我们设计了一系列具有三维交联大孔氮掺杂碳骨架纳米结构（3DM）、可扩展的纳米Fe颗粒嵌入Fe5C2 (Fe/Fe5C2)的分级纳米结构材料，其表现出优异的锂离子和钾离子存储性能。