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新型钠离子电池磷酸盐石墨烯负极材料 循环寿命好比容量高

   日期:2019-01-10     来源:X-MOL    浏览:505    评论:0    
钠离子电池与锂离子电池相比具有储量丰富的优势,但存在化学性质活泼、半径大和质量较重的缺点。与此同时,目前常用的碳负极和过渡金属氧化物,并不能满足钠离子电池的负极要求。研究发现,基于合金化反应的负极材料,如:Sb、Sb2S3、Sn、SnO2、SnSx等等,往往具有较高的理论容量。然而,这些材料经常在循环时经受大量的体积变化和结构应力,从而诱发结构坍塌、颗粒粉化,导致性能降低。因此,可以利用PO43-阴离子较大的体积优势来设法稳定活性物质,缓冲体积变化带来的结构应力,提高材料的循环稳定性。目前这种基于磷酸盐的负极材料报道很少。

近日,北京大学的高鹏教授(点击查看介绍)和山东大学的杨剑教授(点击查看介绍)(共同通讯作者)课题组,率先对层状结构SbPO4作为钠离子电池的负极材料进行了分析和测试。通过简单的溶剂热反应和低温退火,成功地将SbPO4纳米棒沉积在还原氧化石墨烯(SbPO4/rGO)上。并用原位透射电子显微镜(TEM)对纳米棒的生长机理进行了研究,发现首次放电时纳米棒的直径方向发生巨大膨胀,长度方向的变化则相对较小(图一)。采用原位X射线衍射(XRD)和离位选区电子衍射(SAED)对其充放电反应机制进行了分析,证实了在0.01-1.5 V之间,Sb(Na3Sb)逐步发生合金化(脱合金化)反应(图二)。接下来对电化学性质的探究中发现,在0.5 Ag-1的电流密度下,SbPO4/rGO在半电池中循环100次后,容量保持率都为99%(图三)。在1 Ag-1的电流密度下,其循环寿命可达1000圈,而比容量依然维持在100 mAh g-1。


图一. SbPO4纳米棒电化学性质的原位TEM测试。(a)金属钠为对电极、NaxO为固态电解质电池,SbPO4纳米棒在TEM中的原位电化学测试示意图;(b)原位TEM照片;(c)原位尺寸变化图;(d)原位SAED花样;(e)原位SAED花样径向强度分布变化图。


图二. SbPO4/rGO电化学性质的原位XRD以及离位TEM测试。(a)首圈恒流充放电曲线图;(b)原位XRD图谱;(c-e)离位SAED花样;(f-h)离位HRTEM照片。


图三. SbPO4/rGO的电化学性质以及理论计算。(a)CV曲线图;(b)前4圈充放电曲线图;(c)循环性能图;(d)Sb与rGO的两相界面模拟;(e)大电流密度下的循环性能图。

在半电池测试的基础上,他们进行以之作为负极,进行了全电池的测试。其平均电压为2.6 V;在0.5 Ag-1下,全电池循环100次后,容量保持率保持在99.2%;即使在1.2 kW Kg-1功率下,仍然存在99.8 W h Kg-1的能量密度,该性能使SbPO4/rGO材料成为极具潜力的电极材料。

该研究成果近期发表在美国化学会的著名刊物ACS Nano上。第一作者是山东大学的潘军同学和北京大学/哈尔滨工业大学的陈树林同学,高鹏研究员(北京大学)和杨剑教授(山东大学)为共同通讯作者。研究过程得到了山东大学理论化学所付强老师的重要计算支撑。
 

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