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Adv. Sci.:珍珠结构增强的NASICON正极实现5000次循环钠离子电池

秋白 电池未来 2023-06-06
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基于良好的离子导电性和结构稳定性,钠超离子导体(NASICON)材料,特别是利用钒的多价氧化还原反应,是钠离子电池(SIBs)中最有前途的正极之一。
为进一步促进其在大规模储能生产中的应用,一个合理的策略是将钒与地球上丰富而廉价的元素(如铁、锰)相结合,以降低钒基NASICON材料的成本和毒性。
图1. p-NVFP的示意及表征
东北师范大学吴兴隆、郭晋芝、新加坡南洋理工大学Edison Huixiang Ang等通过用铁部分取代V,设计了一种非凡的NASICON材料Na3.05V1.03Fe0.97(PO4)3(NVFP)。此外,除了由溶胶-凝胶工艺产生的碳涂层外,还选择了具有独特形状的支链的球形高导电性Ketjen Black(KB),以提高电子导电性、平衡价态、并在初始电化学过程中调节主要结构。
研究显示,像"珍珠"一样的支链环绕着独立的NVFP颗粒(p-NVFP),提供了更多的导电路径,大大提高了电流密度和电池容量,进一步延长了电池的使用时间。因此,所得p-NVFP呈现出良好的容量(0.2C时106.8 mAh g-1)、显著的高倍率容量(即使在15C时也有87.8 mAh g-1)和长循环(5C下稳定运行超过5000次)性能。
图2. p-NVFP的电化学性能研究
此外,作者通过采用原位X射线衍射(XRD)和原位X射线光电子能谱(XPS)阐明了活性支链注入对晶体结构畸变的影响。并且通过循环伏安法(CV)曲线和恒电流间歇滴定技术(GITT)对p-NVFP的稳定运行进行了研究。
在电压平台下的快速动力学刺激下,p-NVFP的全电池显示出显著的能力,在20C时具有84.9 mAh g-1的高容量保持和持久的循环性能(在2C时每循环的容量衰减率为0.016%)。这种简单而有效的结构设计通过"珍珠"的分散传输网络缓冲了电流对宿主材料的影响,而p-NVFP的混合状态使固溶反应在钠存储机制中得到充分体现,这为其他具有成本效益的系统的大规模储能应用提供了启示。
图3. 原位XRD和XPS研究
Pearl-Structure-Enhanced NASICON Cathode toward Ultrastable Sodium-Ion Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202301308


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