Nano Letters: 解析尺度依賴性玫瑰酸鈉基有機電極材料儲鈉性能【新能源160510期】

盡管鋰離子電池是一種非常有潛力的新能源電池，但由于鋰資源的昂貴和有限，人們不得不去開發新的能源電池體系。鈉離子電池由于其自身的來源豐富和廉價受到了大家的關注，傳統的鈉離子電池正極材料中過渡金屬氧化物有P2和O3型兩種結構，此外還有磷酸鹽類，其中鐵硫酸酯鈉電極被認為具有良好的電化學性能。與屬于能源消耗型的無極金屬氧化物物相比，生物有機物則更有潛力成為下一代新能源，

受到生物代謝過程中羥基和硝酰基的氧化反應的啟示，德克薩斯州大學奧斯汀分校的余桂華教授產生了利用有機材料制造新型鈉離子電池的想法。

作者的靈感來自于生物體中生物分子的氧化還原反應代謝過程中特定的官能團如羧基和硝酰基,有機材料具有不同氧化還原中心由此可以為開發制造先進的鈉離子電池提供新思路。

該研究主要集中在不同尺度下的正極材料的電化學性能，同時通過循環伏安法、X射線衍射（XRD）測試和密度泛函理論計算來分析該材料的分子設計和電勢。

?圖1中a,b,c,分別為微塊、微棒狀和納米棒狀的形貌，d為放大倍數的納米棒狀，此外通過XRD對其進行了分析，三種形態下玫瑰酸鈉的晶體結構是相同的，此外熱重分析表明在300℃能保持較好的熱穩定性

圖2中a、b、c對應微塊，微線，納米線三種性狀下在0.2 mV/s 掃描速率在25 °C下的CV曲線。可以看出納米棒狀材料的極化程度是最小的。同時充放電曲線d中納米棒狀的比容量也是三者中最高的，但是不足的是充放電過程中的平臺較多.

圖3則是通過密度泛函理論展示了這種材料在脫鈉和嵌鈉時的兩種不同的鈉離子結合脫離位置的方式

圖4是三種尺度形貌下的材料的電化學性能，無論是循環性能還是阻抗測試，都是納米棒狀的性能較好，0.1 C下循環100圈容量仍然能保持190 mAh g^?1 ，庫倫效率90%，而且阻抗測試表明納米棒狀的阻抗明顯小于其他兩種，鈉離子的擴散速率為7.9 ×10?16 cm² s^?1 ，并且在80℃時，能達到～210 mA h g^?1，隨著溫度降低到0 ℃，容量也依然能達到175 mA h g^-1。

圖5中為玫瑰酸鈉在充放電過程中的結構的變化的XRD圖譜，首次充放電為一種不可逆的結構相變，然而第二次脫鈉嵌鈉后，26° 到36°之間原始峰移回初始位置，表明此時發生可逆的結構相變.

作者通過一系列的研究手段，較為系統的研究了玫瑰酸鈉這種材料應用于鈉離子電池的可行性, 系統的分析了合成不同形態的該種材料對電池材料的影響，其中納米棒狀不僅提高材料的活性利用，而且提高了材料的電化學性能，使得其0.1 C倍率下100次循環后庫倫效率依然能保持90%，通過對其結構和性能的系統分析，采取在結構上的合理調控，利用有機電極材料或許能夠開發出環境友好型，可持續的，高性能的鈉離子電池。

該工作發表于Nano Letter，原文鏈接為：Understanding the Size-Dependent Sodium Storage Properties of Na2C6O6-Based Organic Electrodes for Sodium-Ion Batteries

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