摘 要

随着数码以及交通等产业对锂离子电池依赖加剧，有限的锂资源必将使锂电成本逐步提高，影响其进一步的发展应用。钠元素在地球上的储量丰富而且分布广泛，若能在此基础上研制出高性能电极材料，钠离子电池将比锂离子电池具有更大的应用前景。但是现有关于钠离子电池负极材料方面的研究相对还比较有限。近来文献报道钒氧化物可以作为十分具有潜力的钠离子负极材料，但其实际性能依旧有待进一步的提高。

本论文针对钒氧化物纳米材料，从相应材料的设计合成出发，展开了钒氧化物作为钠离子电池负极材料的研究。并取得了以下成果：

（1）成功的通过共沉淀法合成了钒基介孔球前躯体材料，并通过后期的高温还原过程实现对材料的氮掺杂，制备了氮掺杂钒基介孔球。

（2）通过组装成钠离子电池，对其电化学性能进行了系统的研究。在1 A/g的电流密度下，循环150圈后，氮掺杂钒基介孔球的容量依旧可以维持在290 mAh/g。当增大电流密度至20 A/g时，其容量依旧可以达到150 mAh/g，展现出优异的循环稳定性和高倍率性能。

（3）通过非原位XRD等技术对氮掺杂钒基介孔球的储钠机制进行了系统的初步研究。分析了在充放电过程中氮掺杂钒基介孔球的结构变化。

关键词：钠离子电池，储钠性能，钒基材料，氮掺杂，介孔球

Abstract

With the development of the digital, transportation and other industries, the limited lithium resources will gradually increase the cost of lithium metal, finally hinder their further development and application. Sodium is abundant and widely distributed on the earth, with development of high performance and safer materials, sodium ion batteries (SIBs) will have a larger market than LIBs. However, the present study on SIBs anode material is relatively limited. It is pointed that the vanadium oxide can also be used as very prospective anode materials for SIBs, but it is rarely reported and the performance need to be further enhanced.

Based on the vanadium oxides, the study of the nitrogen doped vanadium based mesoporous spheres have been synthesized and investigated as anode materials for SIBs. The following interesting results were achieved:

(1) The nitrogen doped vanadium based mesoporous spheres have been successfully synthesized through a mild coprecipitation process followed by a thermal reduction process.

(2) When used as the electrode for SIBs, the nitrogen doped vanadium based mesoporous spheres deliver a high capacity (290 mAh/g) at a current density of 1 A/g after 150 cycles and superior rate capability (150 mAh/g at 20 A/g), which demonstrated excellent cycling stability and high rate performance.

(3) Based on the ex-situ XRD technology, the sodium-storage mechanism and the phase transformation of the nitrogen doped vanadium based mesoporous spheres has been investigated systematically.

Key Words：sodium ion battery, sodium reservoir performance, vanadium based materials, nitrogen doped, mesoporous spheres

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2钠离子电池工作原理 2

1.3钠离子电池负极材料 3

1.3.1 碳基材料 3

1.3.2 金属及合金负极材料 3

1.3.3 金属氧化物 4

1.3.4 其他负极材料 5

1.4 本论文的选题意义及主要研究内容 6

1.4.1 选题意义 6

1.4.2 主要研究内容 6

第2章 氮掺杂钒基介孔球的设计构筑及表征 7

2.1 实验原材料及仪器设备 7

2.1.1 实验仪器设备 7

2.1.2 实验原材料 7

2.2 氮掺杂钒基介孔球的制备 8

2.3 结构与形貌表征 8

2.3.1 氮掺杂钒基介孔球前躯体的结构表征 9

2.3.2 氮掺杂钒基介孔球的结构表征 11

2.4 本章小结 14

第3章 氮掺杂钒基介孔球的电化学性能 15

3.1 钠离子电池组装过程 15

3.2 电化学性能测试方法 16

3.3 电化学性能测试 16

3.4 储钠机制分析 19

3.5 本章小结 20

第4章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1引言

现如今，随着有限化石能源的不断消耗以及温室效应和雾霾天气等环境污染问题的日益严重，能源和环境问题现已经成为影响人类社会长久和谐稳定发展的重要因素。为了解决这些问题，兹如风能，生物能，太阳能和潮汐能等新型清洁能源不断地被开发，但其大规模的应用必须配套相应的高效、低成本和便捷的能源存储技术，如此才有可能实现对清洁可再生能源的有效存储和再分配^[1,2]。在大规模的能源存储领域，电化学储能技术因其特殊的环境适应性，转换效率高等优点而被视为是最具潜力的储能方式之一^[3]。

相较于传统的镍氢电池等电化学储能技术，锂离子电池因具有能量密度高、自放电率低、记忆效应小等优势而被广泛的应用于便携式电子设备中，如手机、电脑等，并将进一步的应用于电器车辆以及混合电器车辆中^[4,5]。但是锂离子电池的进一步发展和应用受到其相应的锂资源短缺问题的制约，电动汽车以及电网中的大规模应用使得锂的价格不断的上升，从而相应提高了电池的生产成本^{[6, 7]}。因此，开发和利用其他可替代锂离子的廉价材料至关重要。钠相对于锂而言，在地球上的存储高了几个数量级，约占地球储量的2.64% ，具有资源丰富，价格低廉，且在地球上的分布广泛的优点，如能有效的应用在电池储能中必能够有效地缓解锂资源紧缺的问题。