我所鈉離子電池聚陰離子型正極材料研究取得新進展

  近日,我所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員、張華民研究員、鄭瓊副研究員帶領的研究團隊,在鈉離子電池聚陰離子型正極材料研究方面取得新進展,研究成果在線發表于《美國化學會能源快報》(ACS Energy Letters)上。

  鈉離子電池具有資源豐富、低成本、高性價比等優點,在電動自行車、低速電動車、分布式儲能、大規模儲能領域具有很好的應用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似,正極材料決定鈉離子電池能量密度。聚陰離子型化合物具有較高電壓、較高理論比容量、結構穩定等優點,成為鈉離子電池正極材料的優選之一。然而,聚陰離子型化合物的電子電導率低,限制了電池的比容量和倍率性能。因此,進一步提高其倍率性能、優化全電池性能,以及進一步降低材料制備成本、實現材料規模化制備,是急需攻破的難題。針對此,該團隊近年來在鈉離子電池聚陰離子型正極材料的結構基元調控、鈉脫嵌機制、碳復合制備、全電池及軟包電池構建等方面展開了系列研究,實現了高性能三氟磷酸釩鈉Na3V2(PO4)2F3Nano Energy, 2018;J. Mater. Chem. A, 2017)、氟磷酸釩鈉NaVPO4F(J. Mater. Chem. A, 2018)、磷酸釩鈉Na3V2(PO4)3J. Mater. Chem. A, 2018;J. Mater. Chem. A, 2016)等釩基聚陰離子型化合物的高效合成及應用。

  三氟磷酸釩鈉具有由[V2O8F3]雙八面體與[PO4]四面體間隔性的聯結形成的三維網狀結構,有利于Na+的快速嵌入和脫出。其理論能量密度為500Wh/kg,與LiFePO4在鋰離子電池中的能量密度相當(550Wh/kg),近年來備受關注。在前期研究工作基礎上,研究團隊提出了一種低溫溶劑熱-球磨制備方法,實現了高電導性碳包覆氟磷酸釩鈉(Na3V2(PO4)2F3)的綠色經濟合成。研究發現低溫溶劑熱過程中溶劑種類和pH值對Na3V2(PO4)2F3形貌和產物純度起到關鍵作用。在乙醇和水共混溶劑的酸性環境中,晶體具有很高的表面能,可以獲得高純度且高產率的Na3V2(PO4)2F3。與科琴黑(KB)短時間(1h)球磨之后,Na3V2(PO4)2F3表面均勻包覆了一層高度石墨化的KB,有效提高了其離子擴散和電子傳導能力。由Na3V2(PO4)2F3組裝的鈉離子電池在0.5C的電流下具有138mAh/g的高比容量,在40C的大電流下其容量仍能維持122mAh/g。該低溫溶劑熱-球磨方法將為低成本、高性能鈉離子電池技術的實用化提供一種新的策略。

  上述研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項的資助。(文/圖 易紅明)

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