Adv. Energy Mater.： 一種高壓正極和商用石墨負極組裝的實用型鋰離子/鈉離子混合動力電池：優越的儲能性能和工作機理

Allen 6年前 (2018-01-17) 3865瀏覽

【引言】

目前，鋰離子電池（LIBs）在儲能方面發揮著重要作用，其應用范圍非常廣泛，從筆記本電腦，手機等便攜式電子設備到電動汽車，混合動力汽車，擁有大容量儲能，壽命長，能量儲存密度高等優點。然而，如此廣泛的用途，以及地殼中鋰資源豐度低，分布不均的現象，正在造成LIBs價格大幅上漲。可以合理預測的是，越來越高的價格終將導致消費者在不久的將來難以隨心所欲地消費得起LIBs。

【成果簡介】

近日，東北師范大學吳興隆副教授（通訊作者）團隊首次設計了一種由高能無鋰Na3V2（PO4）2O2F（NVPOF）正極和市售石墨負極中間相碳微球組成的新型混合型鋰/鈉離子電池（HLNIB）。組裝成的HLNIBs在4.05和3.69 V處具有兩個較高的工作電壓，比容量為112.7 mA h g-1。根據正極和負極材料的總質量計算，其能量密度可以達到328W h kg-1。而且，HLNIB具有優異的高倍率性能，長期循環壽命和優異的低溫性能。此外，通過恒電流間歇滴定技術和原位X射線衍射技術初步研究了NVPOF電極的反應動力學和Li/Na-嵌入/脫出機理。相關成果以題為“A Practicable Li/Na-Ion Hybrid Full Battery Assembled by a High-Voltage Cathode and Commercial Graphite Anode: Superior Energy Storage Performance and Working Mechanism”發表在了Advanced Energy Materials上。論文第一作者為博士生郭晉芝。

【圖文導讀】

圖1 設計的MCMB//NVPOF HLNIBs的工作機制示意圖

a，c）a）CV和c）NVPOF和MCMB電極在2.5-4.5V（橙色）和0.005-2.5V（綠色）電位范圍內的恒電流曲線

b）NVPOF中的V5+/V4+，MCMB中的C6/LixC6和金屬Li中的Li+/Li的氧化還原電位比較

圖2 CV曲線和GCD曲線

a）在0.1mV s-1掃描速率下的代表性CV曲線

b）在0.065A g-1的電流密度下在2.8V和4.4V之間組裝的MCMB//NVPOF HLNIB的GCD曲線

圖3 組裝的MCMB // NVPOF HLNIB的LT性能

a）在25°C至25°C的溫度范圍內以0.013 A g-1循環后GCD曲線和容量保持率

b）溫度為-25°C，循環次數為100次后循環性能為0.013 A g-1

圖4 非原位XRD圖案以及相應的GCD分布圖

a）GITT測試結果顯示了Dapp和準平衡電位隨GCD過程的變化

b，c）在不同的充電/放電狀態下，在0.013A g-1的電流密度下NVPOF電極的第一個循環期間收集的非原位XRD圖案以及相應的GCD分布圖

【小結】

該工作首次實現了新型MCMB // NVPOF HLNIB由高壓無鋰NVPOF正極，市售石墨負極MCMB和普通LIBs電解液的成功組裝。電化學測試表明，所裝配的HLNIB表現出高工作電壓（4.05和3.69V）、優異倍率性能、超長循環穩定性和優異低溫性能等方面的儲能性能，說明設計的HLNIBs將成為具有高能量和高功率密度的先進二次電池的有希望的候選者。

文獻鏈接：A Practicable Li/Na-Ion Hybrid Full Battery Assembled by a High-Voltage Cathode and Commercial Graphite Anode: Superior Energy Storage Performance and Working Mechanism（Adv. Energy Mater.?,2017,DOI:10.1002/aenm.201702504）

通訊作者介紹：

吳興隆，東北師范大學化學學院副教授，中科院化學所獲得博士學位和從事博士后研究，并在博士后國際交流派出計劃的資助下于新加坡南洋理工大學進行研究工作；主要從事電化學儲能和納米新能源材料方面的基礎和應用研究工作；已以通訊或第一作者身份在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Energy等著名學術期刊發表了研究論文60余篇，多篇論文被評選為ESI top 1%高引用論文，論文被引用超過5500次，個人H-index為34；申請中國發明專利15項以上，其中已有8項獲得授權，曾參與專利轉化以及電極材料、鋰電產品開發方面的應用研究工作；曾獲教育部自然科學研究成果一等獎、中國科學院科技成果轉化二等獎、青少年科技創新獎、“挑戰杯”特等獎等多項科技獎勵和榮譽稱號。

團隊近期發表的五篇代表性研究論文：

  1. High-Energy/Power and Low-Temperature Cathode for Sodium-Ion Batteries: In-Situ XRD Study and Superior Full-Cell Performance. Advanced Materials 2017, 29 (33),?1701968.
  2. A Practicable Li/Na-Ion Hybrid Full Battery Assembled by a High-Voltage Cathode and Commercial Graphite Anode: Superior Energy Storage Performance and Working Mechanism. Advanced Energy Materials 2018,?DOI:10.1002/aenm.201702504.
  3. Do the bridging oxygen bonds between active Sn nanodots and graphene improve the Li-storage properties? Energy Storage Materials 2016, 5, 214-222.
  4. A new strategy for developing superior electrode materials for advanced batteries: using a positive cycling trend to compensate the negative one to achieve ultralong cycling stability. Nanoscale Horizons 2016, 1 (6), 496-501.
  5. Nanoeffects promote the electrochemical properties of organic Na2C8H4O4?as anode material for sodium-ion batteries. Nano Energy 2015, 13, 450-457.

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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