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新型鈉離子電池磷酸鹽石墨烯負極材料

鉅大LARGE  |  點擊量:1307次  |  2019年02月19日  

鈉離子電池與鋰離子電池相比具有儲量豐富的優勢,但存在化學性質活潑、半徑大和質量較重的缺點。與此同時,目前常用的碳負極和過渡金屬氧化物,并不能滿足鈉離子電池的負極要求。研究發現,基于合金化反應的負極材料,如:Sb、Sb2S3、Sn、SnO2、SnSx等等,往往具有較高的理論容量。然而,這些材料經常在循環時經受大量的體積變化和結構應力,從而誘發結構坍塌、顆粒粉化,導致性能降低。因此,可以利用PO43-陰離子較大的體積優勢來設法穩定活性物質,緩沖體積變化帶來的結構應力,提高材料的循環穩定性。目前這種基于磷酸鹽的負極材料報道很少。

近日,北京大學的高鵬教授(點擊查看介紹)和山東大學的楊劍教授(點擊查看介紹)(共同通訊作者)課題組,率先對層狀結構SbPO4作為鈉離子電池的負極材料進行了分析和測試。通過簡單的溶劑熱反應和低溫退火,成功地將SbPO4納米棒沉積在還原氧化石墨烯(SbPO4/rGO)上。并用原位透射電子顯微鏡(TEM)對納米棒的生長機理進行了研究,發現首次放電時納米棒的直徑方向發生巨大膨脹,長度方向的變化則相對較小(圖一)。采用原位X射線衍射(XRD)和離位選區電子衍射(SAED)對其充放電反應機制進行了分析,證實了在0.01-1.5V之間,Sb(Na3Sb)逐步發生合金化(脫合金化)反應(圖二)。接下來對電化學性質的探究中發現,在0.5Ag-1的電流密度下,SbPO4/rGO在半電池中循環100次后,容量保持率都為99%(圖三)。在1Ag-1的電流密度下,其循環壽命可達1000圈,而比容量依然維持在100mAhg-1。

圖一.SbPO4納米棒電化學性質的原位TEM測試。(a)金屬鈉為對電極、NaxO為固態電解質電池,SbPO4納米棒在TEM中的原位電化學測試示意圖;(b)原位TEM照片;(c)原位尺寸變化圖;(d)原位SAED花樣;(e)原位SAED花樣徑向強度分布變化圖。

圖二.SbPO4/rGO電化學性質的原位XRD以及離位TEM測試。(a)首圈恒流充放電曲線圖;(b)原位XRD圖譜;(c-e)離位SAED花樣;(f-h)離位HRTEM照片。

圖三.SbPO4/rGO的電化學性質以及理論計算。(a)CV曲線圖;(b)前4圈充放電曲線圖;(c)循環性能圖;(d)Sb與rGO的兩相界面模擬;(e)大電流密度下的循環性能圖。

在半電池測試的基礎上,他們進行以之作為負極,進行了全電池的測試。其平均電壓為2.6V;在0.5Ag-1下,全電池循環100次后,容量保持率保持在99.2%;即使在1.2kWKg-1功率下,仍然存在99.8WhKg-1的能量密度,該性能使SbPO4/rGO材料成為極具潛力的電極材料。

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