磷酸钒钠正极材料的Zr4+掺杂改性研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.005

石油化工高等学校学报 ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6): 44-51.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.005

磷酸钒钠正极材料的Zr⁴⁺掺杂改性研究

吕士忠¹(), 李天龙¹, 房睿², 卢宝光³, 郑成志³, 赵磊¹, 邓亮¹(), 王振波¹()

^1.哈尔滨工业大学化工与化学学院，黑龙江哈尔滨 150001
^2.哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司，黑龙江哈尔滨 150090
^3.广东粤海水务投资有限公司，广东深圳 518021

收稿日期:2024-09-29 修回日期:2024-10-28 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-12-24
通讯作者: 邓亮,王振波
作者简介:吕士忠（2001-），男，硕士研究生，从事化学电源方面的研究；E-mail：lvshizhong12@163.com。
基金资助:
中国博士后科学基金项目(2024M754198);国家资助博士后研究人员计划项目(GZC20233448);黑龙江省博士后面上资助项目(LBH-Z23137)

Modification of Sodium Vanadate Cathode by Zr⁴⁺ Doping

Shizhong LÜ¹(), Tianlong LI¹, Rui FANG², Baoguang LU³, Chengzhi ZHENG³, Lei ZHAO¹, Liang DENG¹(), Zhenbo WANG¹()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150001，China
^2.National Engineering Research Center of Urban Water Resources Co. ，Ltd. ，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150090，China
^3.Guangdong Yuehai Water Investment Co. ，Ltd. ，Shenzhen Guangdong 518021，China

Received:2024-09-29 Revised:2024-10-28 Published:2024-12-25 Online:2024-12-24
Contact: Liang DENG, Zhenbo WANG

摘要/Abstract

摘要：

采用喷雾干燥法制备了Zr⁴⁺掺杂的空心球状磷酸钒钠（Na₃V₂（PO₄）₃）正极材料，探讨了Zr⁴⁺掺杂量（n（Zr⁴⁺）/n（Na_3-_x V_2-_x Zr _x （PO₄）₃））对材料性能的影响；通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及原位XRD等手段分析了Zr⁴⁺掺杂对材料结构及电化学性能的影响。结果表明，Zr⁴⁺掺杂增强了材料的结构稳定性，有效抑制了循环过程中的结构坍塌和体积膨胀；当Zr⁴⁺掺杂量为0.15时，Na_2.85V_1.85Zr_0.15（PO₄）₃在15.0 C倍率下的放电比容量为76.5 mA·h/g，在10.0 C倍率下经过800次循环后容量保持率高达80.6%。

关键词: 钠离子电池, 磷酸钒钠, 电化学性能, Zr⁴⁺掺杂量, 喷雾干燥

Abstract:

Zr⁴⁺-doped hollow spherical Na₃V₂（PO₄）₃ cathode material was prepared by spray drying method, and the influence of different Zr⁴⁺ doping levels （molar ratio of Zr⁴⁺ to Na_3-_x V_2-_x Zr _x （PO₄）₃） on the material properties was investigated. Techniques such as X-ray diffraction （XRD）, scanning electron microscopy （SEM）, and in-situ XRD were used to analyze the effects of Zr⁴⁺ doping on the structure and electrochemical performance of the material. It can be observed that Zr⁴⁺ doping enhanced the structural stability of the material, effectively inhibiting structural collapse and volume expansion during cycling. When the Zr⁴⁺ doping level was 0.15, Na_2.85V_1.85Zr_0.15（PO₄）₃ （NVZP-15） demonstrated a discharge specific capacity of 76.5 mA?h/g at 15.0 C, with a capacity retention of 80.6% after 800 cycles at 10.0 C.

Key words: Sodium ion batteries, Na₃V₂（PO₄）₃, Electrochemical properties, Zr⁴⁺ doping amount, Spray drying

中图分类号:

TQ152

吕士忠, 李天龙, 房睿, 卢宝光, 郑成志, 赵磊, 邓亮, 王振波. 磷酸钒钠正极材料的Zr⁴⁺掺杂改性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 44-51.

Shizhong LÜ, Tianlong LI, Rui FANG, Baoguang LU, Chengzhi ZHENG, Lei ZHAO, Liang DENG, Zhenbo WANG. Modification of Sodium Vanadate Cathode by Zr⁴⁺ Doping[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(6): 44-51.

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图/表 7

图1 Zr4+掺杂量不同的NVP的XRD谱图

Fig.1 XRD patterns of NVP with different Zr4+ doping levels

图2 Zr4+掺杂量不同的NVP的SEM图及NVZP-15的EDS能谱图

Fig.2 SEM images of NVP with different Zr4+ doping levels and EDS images of NVZP-15

图3 NVZP-15的SEM放大图

Fig.3 SEM magnified image of NVZP-15

图4 NVP和NVZP-15的原位XRD图谱及晶胞参数

Fig.4 In-situ XRD patterns and lattice parameters of NVP and NVZP-15

图5 Zr4+掺杂量不同的NVP的倍率性能图及NVZP-15和NVP的极化情况

Fig.5 Rate performance of NVP with different Zr4+ doping levels and polarization of NVP-15 and NVP

图6 Zr4+掺杂量不同的NVP的循环性能

Fig.6 Cycle performance of NVP with different Zr4+ doping levels

图7 NVZP-15的循环伏安曲线及峰值电流与扫描速率拟合曲线

Fig.7 CV curves and peak current and scan rate fitting curve of NVZP-15

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Modification of Sodium Vanadate Cathode by Zr⁴⁺ Doping

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