ACS AMI┃自支撑Na3V2O2(PO4)2F/石墨烯气凝胶钠离子电池正极

英文原题：Freestanding Na₃V₂O₂(PO₄)₂F/Graphene Aerogels as High-Performance Cathodes of Sodium-Ion Full Batteries

通讯作者：于中振，北京化工大学；曲晋，北京化工大学

作者：Wei Chang, Xiao-Ying Zhang, Jin Qu, Zhe Chen, Yu-Jiao Zhang, Yanqiu Sui, Xiu-Feng Ma, and Zhong-Zhen Yu

近年来，随着电子设备、新能源汽车和新型储能电站的迅猛发展，对锂离子电池的需求量大大增长；然而，金属锂资源在地壳的含量较低且分布不均匀，无疑造成了锂离子电池成本居高不下。金属钠具有和金属锂相似的化学性质，因此钠离子电池成为锂离子电池最具希望的替代品。与负极材料不同的是，正极材料往往具有相对较低的容量，限制了钠离子电池的整体容量，所以开发合适的正极材料是推动钠离子电池发展重要的一步。在众多正极材料中，氟化磷酸钒氧钠（Na₃(VO_1-xPO₄)₂F_1+2x）由于两电子反应以及较高的工作电压，具有较高的理论容量和能量密度，是一种理想的正极材料。但是由于其相对较低的电导率和反应动力学，其表现并不能满足商业使用的需求。与碳材料复合是一种很好的改善方法，但是与碳材料的复合势必会降低电池的容量与能量密度。因此，如何在提升电化学反应动力学的同时保持较高的能量密度是亟需解决的关键问题。

针对以上问题，北京化工大学的于中振教授、曲晋副教授团队，提出了一种使用Na₃V₂O₂(PO₄)₂F/石墨烯气凝胶（NVPF/GA）直接用作自支撑钠电正极材料的方法。连续多孔的三维网络状结构一方面缓解了NVPF本身电导率较低和反应动力学较差的问题；另一方面可以实现高的负载量并避免了粘结剂和炭黑的使用，从而降低能量密度的损失。NVPF/GA由采用简单的水热自组装以及冷冻干燥的方法制备得到。

图1. NVPF/GA的制备

NVPF以纳米块的形式均匀分布在石墨烯片层上，形成具有连续多孔的三维网络状结构，可以有效提高NVPF的负载量达81 wt.%。这种网络状结构一方面有利于电解液的浸润，提高钠离子的扩散；另一方面，可以形成导电网络，有利于电子的传输，从而提高反应动力学；同时，这种结构也有利于保持自支撑电极的机械强度以及容纳循环过程中产生的应力。

图2. NVPF/GA的形貌

NVPF/GA可直接用做自支撑电极，故其NVPF的有效负载量高达81wt.%，并具有优异的电化学性能。在5 C电流下循环300圈，容量保持率可达到90.5%，在10 C的电流下循环400圈，容量保持率可以达到89%。即使在40 C的大电流下，经过1000圈的长循环，容量依然可以保持在100%。

图3. NVPF/GA自支撑电极电化学性能

由NVPF/GA做正极，与Sb/G/C负极一起组装成钠离子全电池。Sb/G/C负极是通过简单旋蒸法制备得到。 Sb纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层上并被一层碳壳所包裹，同时Sb/G/C负极本身也展现出优异的电化学储钠性能。最终所组装的全电池在2 C的电流下，循环100圈后，容量没有明显的变化。

图4. 钠离子全电池

研究成果发表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。该研究得到了国家自然科学基金（51972016, 51533001）、中央高校基本科研基金（XK1802）和国家电网公司科技项目等项目的资助。

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Freestanding Na₃V₂O₂(PO₄)₂F/Graphene Aerogels as High-Performance Cathodes of Sodium-Ion Full Batteries

Wei Chang, Xiao-Ying Zhang, Jin Qu*, Zhe Chen, Yu-Jiao Zhang, Yanqiu Sui, Xiu-Feng Ma, Zhong-Zhen Yu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c11074

Publication Date: August 19, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）