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Nano Res.[能源]│中国科大章根强/西安交大陈圣华/安徽工业彭波:体积互补的正负极两用层状氧化物实现稳定的对称钠离子电池

本篇文章版权为 彭波所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


近年来,由于锂和钴等元素的资源限制,低成本的钠离子电池(SIBs)是锂离子电池的良好补充,在大规模储能系统中具有很大的应用潜力。与电动汽车中要求的高功率/能量密度电池不同,规模储能电池更重要的特性是高安全、低成本、长寿命。然而,由于缺乏合适的正负极材料,构建这种可实用的SIBs仍然特别困难。

近年来,层状过渡金属氧化物(LTMOs)是研究最多的正极材料之一,根据钠离子的配位环境,一般将其分为O型结构和P型结构两类。然而,大多数层状氧化物都遭受着复杂相变,如O3-P3、P2-O2和P2-P2′,这些相变导致大体积变化,进一步诱导快速的容量衰减。在负极侧,具有高比容量的硬碳材料是一类有实际应用潜力的负极材料。然而,几乎一半的比容量是由0-0.1 V vs. Na+/Na的低电压区域所贡献,这可能会因为钠枝晶的产生而导致安全问题。作为SIBs负极材料,一些过渡金属硫族化合物和合金型化合物也因其较高的理论容量而被广泛研究。然而,这些负极材料存在的大体积变化(例如Bi的352%)仍然限制着他们的实际应用。基于此,一些层状氧化物由于其合适的工作电位、小的体积变化和高安全性而被研究以用于负极材料。但是如何开发出高性能的无锂/钴层状氧化物负极仍然是个挑战。

鉴于此,我们提出了一种概念,通过使用低成本的正负极两用的固溶反应型P2型层状氧化物来构建对称钠离子电池。该钠离子全电池可以实现充放电过程中正负极的体积互补效应,从而解决上述提出的问题。在循环过程中,可实现完全固溶反应且具有相同化学结构的正负极材料可以实现钠离子电池的体积互补,整体体积变化几乎为零。低体积变化可以带来以下几个优势:(1)电池系统内部体积变化小,内部应变小,可以防止电极开裂,显著提高循环稳定性;(2)几乎为零的体积变化可以极大地保持电池的结构强度,从而提高电池的安全性。此外,由于在大规模生产中不需要制造第二类材料,可以降低生产成本。


成果简介


本文设计了一种低成本、超低应力、无相变的新型正负极两用的P2型Na0.7Ni0.25Fe0.2Ti0.55O2(记为P2-NFT)。研究表明,在半电池中P2-NFT作为正极或负极,其在充放电循环过程中均表现出完全的固溶反应。因此,其在半电池体系下表现出良好的循环稳定性。作为正极,在300次循环后,其容量保持率为80.4%;作为负极,在200次循环后,其容量保持率为79.9%。当使用P2-NFT同时作为正极和负极电极来组装钠离子全电池时,其表现出了正负极体积互补特性,实现了全电池中近零的体积变化。得益于体积互补的特性,该对称钠离子全电池在0.5C下循环200次后的容量保持率为91.7%,表现出良好的循环稳定性。这项工作有望为开发高安全、长寿命的对称钠离子电池的设计提供新思路。


图文导读


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示意图1. 体积互补的对称电极的设计原理。


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图1. P2-NFT材料的结构表征


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图2. P2-NFT作为正极的电化学性能:(a)0.1C电流密度下充放电曲线,(b)倍率性能,(c)0.5C电流密度下循环性能;P2-NFT作为负极的电化学性能:(d)0.1C电流密度下充放电曲线,(e)倍率性能,(f)0.5C电流密度下循环性能。


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图3. (a,b)P2-NFT作为正极的原位XRD表征;(c,d)P2-NFT作为负极的原位XRD表征;(e)P2-NFT正极在充放电过程中的体积变化;(f)P2-NFT负极在充放电过程中的体积变化。


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图4.电荷补偿机制。


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图5. 全电池性能。


作者简介


彭波,安徽工业大学材料科学与工程学院资格教授,硕士生导师。2017年本科毕业于江苏大学,2022年在中国科学技术大学获得工学博士学位。2022.06月入职安徽工业大学,目前主要从事钠/锂离子电池关键电极材料的设计合成、机理研究。已在相关领域发表SCI论文三十余篇,其中以第一(共一)及通讯作者在Adv. Mater., Matter, Adv. Energy Mater., Nano Research, Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Mater. Lett., eScience等高水平刊物上发表论文十余篇。


陈圣华,西安交通大学特聘研究员、博士生导师,西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”。2020年博士毕业于华中科技大学,师从郭兴蓬教授和夏宝玉教授(国家杰青);2020至2022年在清华大学李亚栋院士和王定胜副教授课题组从事博士后研究。研究重点为:纳米催化剂的可控合成及其在电催化化学品增值催化转化领域的应用,着重涉及电催化二氧化碳还原、电解水等催化剂的精准设计与器件化应用。迄今为止在JACS、Angew、AM、PNAS、EES等期刊上共发表SCI论文近30篇,其中第一或通讯作者15篇,包括JACS、Angew、AM、EES、Nano Lett.、ACS Catal.、J. Catal.等。


章根强,中国科学技术大学化学与材料科学学院教授,微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员,国家高层次人才计划入选者。致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究,主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究、高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究。已发表超过100篇SCI科学论文,如Sci. Adv., Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Nano Research, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letters, Energy Storage Mater.等高水平杂志。被引用次数超过12000次,H因子=56。担任InforMat期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士(IAAM Fellow)以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。


文章信息


Peng B, Wang F, Ahmad N, et al. Volume-complementary bipolar layered oxide enables stable symmetric sodium-ion batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6347-x.




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