溶胶-凝胶法制备新型水系钠离子电池正极材料Na0.44MnO2及电化学性能研究
(1. 湖南有色金属职业技术学院 资源环境系，湖南 株洲 412000；2. 湖南化工研究院有限公司，湖南 长沙 410014)
摘要
通过改进传统热干燥法，将冷冻干燥技术成功应用于溶胶凝胶法中，制备新型水系钠离子电池正极材料Na0.44MnO2，并对两种方法制备样品的结构、形貌以及电化学性能进行对比研究。X-射线衍射（XRD）结果表明，通过冷冻干燥法和传统热干燥法制备出的正极材料Na0.44MnO2都有相同的晶体结构，样品衍射峰形尖锐，材料结晶度高。扫描电镜（SEM）分析表明，与热干燥样品相比，冷冻干燥法合成的样品呈棒状结构，大小更均匀，团聚程度很低。透射电镜（TEM）分析表明，冷冻干燥法制备的样品为结构规整的长方体棒状结构，大小为400 nm左右。在电化学性能方面，冷冻干燥法制备的正极材料Na0.44MnO2表现出更为满意的结果，此方法制备的正极材料Na0.44MnO2其电化学活性更高，倍率性能和循环性能更优异，并且可逆性好。
引言 目前锂离子电池商业化应用已经相当广泛[1]，但是锂的储量是非常有限的，且分布不均匀，这将会使人类面临锂资源枯竭的问题，那么开发新的储能材料就显得尤为重要[2]。与锂元素相比，钠元素同样也属于第IA族碱金属元素，物理和化学性质方面十分相似，且钠和锂的电极电势很接近[3, 4]，因此完全有可能将钠离子制备成能够广泛应用的二次电池，而且钠资源具有储量丰富，成本低等优点，使钠离子电池具有更大的潜力和吸引力[5-7]。基于成本和安全性因素的考虑，对于大多数固定式储能场合[8]，水溶液电解质体系由于具有安全性高、生产条件宽松、价格便宜等特点，同时钠离子水合离子移动速率更快、电导率高，即使大尺寸的电极也能满足其效率和能量密度[8, 9]。因此水系钠离子电池将会成为潜力很大的储能系统电池[10]。 正文部分 1 实验部分 1.1 主要仪器与试剂 1.2 实验方法 1.2.1 材料的制备 称取2.1250 g硝酸钠和12.2500 g四水乙酸锰，溶于适量的蒸馏水中，然后进行混合搅拌，将搅拌后的溶液缓慢滴加到2 mol/L柠檬酸溶液中，使其pH调至6.5，再放到磁力搅拌器中搅拌（温度80 ℃，时长4 h），待水分蒸发后放入冰箱冷冻，再采用冷冻干燥机将水分完全蒸发得到前驱体，最后将材料在预先设置温度为500 ℃的马弗炉中恒温4 h，进行研磨后，再在850 ℃马弗炉中恒温10 h进行烧结，取出冷却至室温得到Na0.44MnO2材料。 1.2.2 结构与形貌表征 应用XRD分析Na0.44MnO2的晶体结构 (测试条件：选取Cu靶材 (Kα射线)，管压40 kV，管流250 mA，扫描范围2θ为0°～60°)。应用SEM和TEM表征正极材料Na0.44MnO2的形貌。 1.2.3 电池的组装 1.2.4 电化学性能测试 使用蓝电电池测试系统进行电池充放电性能测试（测定条件为：电压设定在0.5～2.0 V之间，1 C = 200 mAh/g）。 采用电化学工作站进行CV测试（测定条件为：电压设定在0.5～2.0 V之间，扫描速率为0.1 mV/s）。 2 结果与讨论 2.1 结构与形貌表征 2.2 电化学性能分析 3 结论 结论 本文通过改进普通热干燥法，成功将冷冻干燥技术应用于溶胶凝胶法中合成新型水系钠离子正极材料Na0.44MnO2，进行了两种合成方法对材料结构、晶体形貌及电化学性能方面的对比研究。结果表明，经过冷冻干燥处理的正极材料具有好的结晶度和高的纯度，材料形貌为长方体棒状结构，大小更加均匀规整，无缺陷，尺寸大小在400 nm左右，并且间隙大更加疏松，基本无团聚。在电化学性能方面，该法制备的正极材料Na0.44MnO2电化学活性更高、倍率性能更优异、循环性能更好并且可逆性好。30次循环之后，冷冻干燥样品的放电比容量为163.5 mAh/g，容量保持率为94.5%。
引用本文：党铭铭，刘民华，郭永艳，等. 溶胶凝胶法制备新型水系钠离子电池正极材料Na0.44MnO2及电化学性能研究[J].化学试剂, 2021, 43(10):1342-1347.
