Adv. Energy. Mater：可產業化、空氣穩定的O3型層狀氧化物正極成就高能量密度鈉電

smilezengsha 6年前 (2017-10-17) 3805瀏覽

【引言】

鈉離子電池由于資源豐富、超高的安全性等特點以及與鋰電類似的化學特性，被認為是最具潛力的替代鋰離子電池的能量存儲系統之一。目前已有許多學術研究探索高性能的鈉離子電池正極材料，然而在實際應用中這些正極材料初始庫倫效率低、可循環鈉含量不足、工業可行性差等缺陷阻礙了鈉離子電池商業化應用的發展。因此，為實現鈉離子的實際商業化應用，亟需發展規避上述缺陷的高性能鈉離子正極材料。

【成果簡介】

近日，澳大利亞伍倫貢大學的竇世學教授、駱文彬博士（共同通訊作者）以及桂林電子科技大學鄧建秋教授在Adv. Energy. Mater上發表最新研究成果 “High Energy Density Sodium-Ion Battery with Industrially Feasible and Air-Stable O3-Type Layered Oxide Cathode”。在該文中，研究者通過成熟可工業化的共沉積技術與后續的高溫燒結過程大規模制備得到O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2層狀正極材料，該新型正極材料可在空氣中保持穩定。此正極材料中由許多一級納米晶構成的微米二級粒子具有較短的擴散距離，可有效地促進鈉離子的傳輸。該正極材料在0.1 C時可逆容量高達172 mA h g-1，20 C時1000次循環后容量保持率可高達70.4 %。除此之外，該正極材料與硬碳負極有較好的兼容性，兩者構筑的全電池的高能量密度高（0.1 C時，215 Wh kg-1）且倍率特性好。該正極材料與負極兼容性好、電化學性能優異、制備工藝可產業化，其將推進鈉離子電池商業化的發展腳步，具有較好的應用前景。

【圖文導讀】

圖1 共沉積系統裝置圖與正極材料形貌及結構表征圖

（a）10 L的共沉積系統的光學照片；

（b）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2正極材料SEM圖片；

（c）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2納米片原始狀態下的STEM圖片；

（d）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2納米片電子衍射圖樣；

（e-i）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2原始晶體的元素分布圖；

（j）XRD （插圖為分子結構模型）；

（k-n）相應元素的EELS信號圖；

（o-q）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2納米片橫截面HAADF-STEM圖。

圖2 Na//Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2電化學性能圖

（a）0.1 mV s-1掃速下前五次循環的循環伏安曲線圖；

（b）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2電極第二次循環的充放電曲線；

（c，d）0.5 C和1 C倍率下充放電曲線;

（e）0.1 C、0.5 C、1 C倍率下的循環性能;

（f）1~50 C倍率下的倍率特性圖；

（g）5 C、20 C、50 C倍率下的循環性能。

圖3 Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2中Na+電化學動力學表征

（a）Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2正極材料的首次循環恒電流間歇滴定（GITT）曲線；

（b）滴定時，電池電壓與τ1/2的線性關系曲線；

（c）根據GITT計算Na+擴散率與充放電狀態的關系曲線；

（d）根據EIS計算不同電壓下的Na+擴散率。

圖4 HAADF-STEM-EELS表征

（a）1 C倍率下400次循環活性材料的HAADF-STEM-EELS圖片；

（b-d）a圖中相應區域的EELS信號曲線圖 ；

（e-g）a圖中e、f、g位置處的HAADF-STEM圖；

（e1-g1）a圖中e、f、g位置處的FFT圖與推測的結構圖（插圖）。

圖5 全電池電化學性能表征

（a）不同電流密度下的充放電曲線；

（b）以Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2為正極、原始硬碳為負極的全電池在0.5 C時的循環性能；

（c）該全電池與其他報道中的鈉離子電池全電池能量密度的對比圖；

（d）鈉離子軟包電池點亮LED燈。

【小結】
在這項工作中，研究者利用共沉積技術大規模制備新型空氣穩定的O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2正極材料，該正極材料二級微型顆粒由一級納米片晶體聚集而成，維持了前驅體的微球結構。由于擴散距離縮短的特性，該正極材料能夠有效地促進鈉離子的傳輸并利于高振實密度的物質傳輸，因而體積能量密度較高。此材料的半電池與硬碳// Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2全電池具有高容量、高倍率特性、穩定循環性能。此新型的正極材料電化學性能優異，其制備工藝可產業化，將促進未來鈉離子電池在大規模儲能方面的發展。

文獻鏈接：High Energy Density Sodium-Ion Battery with Industrially Feasible and Air-Stable O3-Type Layered Oxide Cathode? (Adv. Energy. Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701610)

團隊相關論文匯總：
Advanced Energy Materials, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701428;
ACS Nano, 2017, 11, 1747-1754;
Advanced Energy Materials, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700234;
Advanced Materials 2015, 27, 6862-6869;
Small 2016, 12, 3031-3038;
Small 2015, 11, 2817-2824;
Chemical communications 2015, 51, 8269-8272;
Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 5283-5289;??

本文由材料人新能源小組 曾沙 供稿。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！

分享到