摘 要

传统化石燃料的枯竭及其带来的环境问题使得发展新型的能量转换及储存装置极为重要。目前锂离子电池是一种典型的新型储能技术，但它的成本高昂，资源分布集中且稀少。而相比于锂而言，钠的储量丰富，大约占地壳的2.64%，且分布十分广泛，提炼工艺简单，具有较低的开采成本。再者，钠和锂处于元素周期表中同一主族，它们具有相似的化学性质与物理性质，因此钠离子电池和锂离子电池具有着相似的工作原理。目前阶段对于钠离子电池的研究主要集中在电池正负极材料上，对于电池隔膜和电解质的研究较少。

本文通过使用不同种电池隔膜组装钠离子电池，对比其电池循环性能及充放电行为，初步探讨了钠离子电池隔膜对于电池性能的影响。本文选用了Na_0.44MnO₂钠基层状正极材料来制备测试用钠离子半电池的正极，主要研究隔膜分别为Celgard 2400 PP膜，表面修饰后的Celgard2400 PP膜以及玻璃纤维隔膜。研究结果表明，无论表面是否进行过修饰，PP隔膜的电解液润湿性差，无法使钠离子自由通过隔膜，因而使电池断路，无法进行电化学性能测试。而玻璃纤维具有优秀的电解液润湿性和较大的孔径，利于钠离子的自由通过，从而具有各项优异的性能，能够有效改善电池的各项性能（循环稳定性、容量保留率、变倍率性能），分析得钠离子电池隔膜的进一步研究方向为改善电解液润湿性与隔膜孔径大小，并向固态电解质-隔膜体系发展。

关键词：钠离子电池；聚烯烃；玻璃纤维；隔膜

Abstract

At present, lithium-ion battery is a typical new energy storage technology, however, it is expensive and the resources of lithium are concentrated and sparse. Compared with lithium, sodium is abundant,accounting for about 2.64% of the earth's crust,and it is widely distributed. Its refining process is simple and it has low mining cost. Moreover, sodium and lithium are in the same main group in the periodic table, and they have similar chemical and physical properties, so sodium ion battery and lithium ion battery have similar working principles. At present, the research on sodium ion battery mainly focuses on the positive and negative electrode materials of the battery, and there are few studies on the battery diaphragm and electrolyte.

In this paper, we use different kinds of diaphragm to assemble sodium ion batteries, in order to compare their battery circulation performance and charging and discharging behavior, to make a preliminary discussion with the diaphragm’s influenceofsodium ion battery. This article chose Na_0.44MnO₂ sodium base shape cathode material as the anodeof the sodium half cell, mainly studies the diaphragm Celgard 2400 PP membrane, Celgard2400 PP membrane after the surface modification and glass fiber membranerespectively. The research results show that whether the surfacehas been decorated, PP membrane due to its small pore size, the poor electrolyte wettability, cannot make sodium freely go through the diaphragm,thus make the battery open circuit, without electrochemical performance. And glass fiber has excellent electrolyte wettability and larger pore size, good for sodium ion to go through the membrane, thus has the excellent performance, can effectively improve battery performance (cycle stability,capacity retention,convertible performance). The further research direction of sodium ion battery separator is to improve the wettability of electrolyte and the size of membrane pore, and to develop into solid electrolyte-membrane system.

Key Words：Sodium ion battery; polyolefin; glass fiber; membrane

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2钠离子电池概述 1

1.2.1钠离子电池正极材料 2

1.2.2钠离子电池负极材料 5

1.2.3钠离子电池电解质系统 6

1.2.4钠离子电池隔膜 7

1.3本论文的研究目的及内容 8

第2章 实验方法与仪器 9

2.1实验试剂及仪器 9

2.1.1实验试剂 9

2.1.2实验仪器 9

2.2实验操作 10

2.2.1正极材料Na_0.44MnO₂的制备 10

2.2.2正极片的制备 10

2.2.3 Na_0.44MnO₂/（PP、玻璃纤维隔膜）/Na半电池的组装 10

2.3 测试及表征 11

2.3.1 X射线衍射（XRD）测试正极材料晶体结构 11

2.3.2 扫描电镜SEM测试材料表面形貌 11

2.3.3 不同隔膜半电池电化学稳定性循环伏安测试 11

2.3.4 半电池循环性能测试 12

2.3.5 半电池倍率性能测试 12

2.3.6 不同隔膜半电池阻抗测试 12

第3章 结果讨论 13

3.1 XRD衍射测试结果 13

3.2 扫描电镜（SEM）测试结果 14

3.3循环伏安测试 14

3.4不同隔膜条件下半电池5、10、15圈充放电曲线 15

3.5不同隔膜条件下半电池循环稳定性能 16

3.6 不同隔膜条件下半电池变倍率性能 18

3.7 不同隔膜循环前后阻抗测试 18

第4章 全文总结 20

4.1 主要结论 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1引言

随着我国社会各方面的高度发展，能源紧缺的问题愈来愈严重。首先，传统化石燃料已经面临着日渐匮乏的问题。其次，化石燃料带来的一系列环境污染的问题也迫切需要解决。这一形势则要求科研工作者们尽快开发研究出一种新型的储能技术，以应对日后日益严重的能源危机问题。另一方面，锂离子电池便是应对这一问题而产生的。锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等优点。但其依然具有很多缺点，例如电池安全性低，制作成本高，循环寿命不够长等问题。随着进一步的研究进行，锂的需求量越来越大，然而锂的储量并不丰富，且分布范围并不均匀。而处于同一族的钠元素在地壳中的含量多达2.64%，且分布十分广泛。钠与锂具备着相似的物、化性质，这说明钠离子电池和锂离子电池也具备相似的工作原理。仅从充放电的可逆性来看，钠离子电池反应无疑是一种理想的可逆反应。因此，大规模地发展钠离子电池储能技术，对解决目前的一系列能源问题，起到了十分重要的战略作用。

1.2钠离子电池概述

由各类文献阐述所得，在近20年中，科学家们在锂离子电池的研究应用上取得了很大的进展，例如手机等电子设备用锂离子电池，汽车用锂离子电池也在进行各种尝试开发，相信很快就可以进入大规模应用期^[1]。这也就意味着，随着锂离子电池的大规模开发应用，锂资源将会受到更大限度的开采。然而锂的储量本就不丰富，且分布范围并不广泛，这就对发展锂电能源带来了很大的限制。此外锂离子电池还存在着一些安全隐患，如过充、短路、碰撞爆炸等。因此迫切需要开发一种新型电池，用以在将来取代资源短缺的锂离子电池。于是，研究含钠材料很快就被科学家们提上了日程。钠元素与锂元素同族，因此它们具有着相似的物、化性质。Na /Na电对标准电极电势为-2.71V，比Li /Li电对仅仅高了0.3V。钠元素不仅在地壳中储量丰富，在海水中同样存在着大量的钠离子。目前的海水提炼技术已经足够成熟，足够支撑钠离子电池的研究及工业生产。表1.1所示为钠与锂的性质对比。图1.1则展示了钠离子电池的工作原理。

表1.1 钠元素与锂元素的性质对比