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摘 要

锂离子电池由于其优异的储能性能而受到了广泛的关注，并且得到了极大的应用。但是由于锂资源有限，导致相关原材料价格的飞涨，极大的限制了其进一步的应用和发展。钠由于在自然界中资源丰富，并且其二次电池表现出与锂电池相近的性能日益受到关注。 与锂电池正极材料相似，存在电子导电性和离子导电性差等缺点，极大的影响了电池的充放电性能。

本课题的主要任务是利用还原氧化石墨烯的高稳定性，高比表面积以及高导电性等优点，与磷酸钒钠进行混合形成复合正极材料，有效的提高离子和电子导电性，从而获得高性能的钠电池正极材料。

具体的研究方案包括制备还原氧化石墨烯(rgo)，利用高能球磨等设备将氧化石墨烯与磷酸钒钠预烧粉料进行机械混合，在充分研磨和均匀混合后磁力搅拌加热干燥，然后进行烧结，制得正极材料，组装电池进行性能的测试。

关键词：可充电钠离子电池、还原氧化石墨烯、磷酸钒钠、复合、导电性

Abstract

Lithium-ion batteries have received extensive attention due to their excellent energy storage properties and have been widely applied. However, due to the limited resources of lithium, the soaring prices of related raw materials have strangly limited its further application and development. Nanotechnology is attracting attention due to its abundant resources in the natural world and the fact that its secondary batteries exhibit similar performance to lithium ion batteries. Similar to lithium ion battery cathode materials, there are disadvantages such as poor electronic conductivity and ionic conductivity, which greatly affect the battery's charge and discharge performance.

The main task of this project is to use the advantages of high stability, high specific surface area, and high conductivity of reduced graphene oxide, and to mix with vanadium and sodium phosphate to form a composite cathode material, effectively improving the ion and electronic conductivity, thereby obtaining high performance of the sodium ion battery cathode material.

The specific research scheme includes the preparation of reduced graphene oxide, and mechanically mixing with pre-fired vanadium sodium phosphate powder, using high-energy ball milling equipment, after fully grinding and uniform mixing, magnetic stirring, heating and drying, and then sintering. We get the cathode material and assemble the battery for performance testing.

Keywords: rechargeable sodium-ion battery, reduced graphene oxide, sodium vanadium phosphate, composite, conductivity

目 录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪论 5

1.1引言： 5

1.2钠离子电池概述 6

1.3钠离子电池正极材料的研究进展 7

1.4磷酸钒钠正极材料 8

1.5石墨烯复合的磷酸钒钠电极 10

1.6本实验的实验目的和探索意义 11

第二章 实验 12

2.1 实验试剂及实验材料 12

2.2 实验仪器及其使用注意事项 13

2.3实验流程 15

2.3.1 Na₃V₂(PO₄)₃样品的制备 15

2.3.2 氧化石墨烯的的制备 15

2.3.3 氧化石墨烯与Na₃V₂(PO₄)₃的复合 15

2.4 结构表征 16

2.5 电池组装与性能测试 16

第三章 结果与分析 17

总结 19

致 谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1引言

随着便携式电子产品的迅猛发展，各种电池的需求量与日俱增。尤其是锂离子电池（lithium-ion battery），由于其出色的性能而得到广泛的应用。但是，地球上的锂资源十分有限，使得锂电池的价格十分昂贵，不利于其未来的发展。钠元素与锂元素的化学性质相似^[1]，而且地球上的钠资源十分丰富，因此，钠离子电池（sodium-ion battery）在未来将有广阔的发展前景。

但是，与锂离子(半径0.076nm)相比，钠离子(半径0.102nm)比较大^[2]，且钠离子的质量比锂离子大，导致钠离子在电极中扩散困难，从而导致纯Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)导电性很差。近年来为了克服这个问题已经通过多种方法进行探索，其中碳涂层^[3]是改善Na₃V₂(PO₄)₃电化学性能常用的方法。碳壳层能够在一定程度上提高电极的性能。

尽管如此，Na₃V₂(PO₄)₃电极高倍率放电能力仍然不佳。为了进一步提高Na₃V₂(PO₄)₃电极的导电性，我们尝试采用还原氧化石墨烯复合Na₃V₂(PO₄)₃^[4]。石墨烯是一种具有高表面积、化学稳定性、机械强度和柔韧性的二维单层原子导体。到目前为止，用石墨烯与LiMnO₂、LiMn₂O₄、LiFeO₄、Li₃V₂(PO₄)₃和LiVPO₄F等多种材料复合，表现出高速率性和循环稳定性。但是关于石墨烯与Na₃V₂(PO₄)₃复合作为钠离子电池电极的文献很少。经过探索，我们采用固相反应法预烧合成碳包覆的Na₃V₂(PO₄)₃前驱体颗粒，再通过球磨与氧化石墨烯复合，干燥后正式烧结得到石墨烯-Na₃V₂(PO₄)₃纳米复合材料。添加的石墨烯与碳混合形成一个有利于电子传输的导电网络，经过与不加石墨烯的Na₃V₂(PO₄)₃比较，石墨烯复合Na₃V₂(PO₄)₃材料确实能够提高Na₃V₂(PO₄)₃电极的电化学性能。

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