我院在高性能鈉離子電池正極材料領(lǐng)域取得重要進展
作為具有重要應用前景的下一代大規(guī)模儲能電池，鈉離子電池因具有鈉資源儲量豐富、地殼中分布廣泛、廉價以及與鋰離子電池具有類似工作原理等優(yōu)勢，受到了越來越廣泛的關(guān)注。然而，鈉離子電池的實用化進程仍然面臨著許多的挑戰(zhàn)，例如，能量和功率密度較低，循環(huán)壽命短和低溫性能不夠理想等。在眾多鈉電正極材料中，NASCION（Na Super Ionic Conductor）型聚陰離子磷酸鹽材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，得到了廣泛的研究。遺憾的是，通常的NASCION型磷酸鹽材料用作鈉電正極時，表現(xiàn)出的充放電電壓不夠高，從而在很大程度上限制了鈉離子電池能量密度的提高，制約了其實用化進程。
為了解決這個問題，我院吳興隆副教授和中國科學院化學研究所郭玉國研究員課題組合作，設(shè)計并可控制備了一個具有高工作電壓的NASCION型鈉電正極材料----納米四棱柱狀Na3V2(PO4)2O2F（NVPF-NTP）。電化學性能測試結(jié)果表明，NVPF-NTP用作鈉電正極材料時，表現(xiàn)出兩個穩(wěn)定的高電壓平臺4.01 V和3.60 V (vs. Na+/Na)，儲鈉比容量為127.8 mA h g−1，使其材料能量密度高達486 W h kg−1，明顯高于大多數(shù)已知的其他鈉電正極材料。原位XRD測試結(jié)果表明，NVPF-NTP在充放電過程中的晶格體積變化僅為2.56 %，且GITT和不同掃速下的CV研究結(jié)果均顯示，NVPF-NTP電極中鈉的表觀擴散系數(shù)在10-11~10-12 cm2 s-1這一較高的量級。因此，NVPF-NTP正極還表現(xiàn)出十分優(yōu)異的倍率、長循環(huán)和低溫性能。例如，在40C（1.5分鐘完成充/放電過程）這樣的高倍率下，NVPF-NTP電極仍表達出84.1 mA h g-1的比容量，是0.1C倍率下的65.8 %；在20C下循環(huán)2000圈后，仍然有80.9 %的容量保持率；在-25℃的低溫下，以0.2C倍率充放電時，可逆比容量達96.1 mA h g−1，為室溫容量的76.4 %。另外，NVPF-NTP正極與按照文獻方法合成的Sb基負極匹配，裝配成的鈉離子全電池，也表現(xiàn)出優(yōu)異倍率和循環(huán)等儲能性能。
可以看出，該NVPF-NTP材料表現(xiàn)出高比能和高比功率、長循環(huán)壽命、以及優(yōu)異的低溫和全電池性能，不但有望實用于未來的高性能鈉離子電池中，也為進一步提升鈉離子電池能量密度開辟了新的途徑。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Advanced Materials（2017, 29 (33), 1701968）上。
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