中科院Angew. Chem. Int. Ed: 具有高電壓和高倍率的鈉離子全電池

微觀世界 5年前 (2018-12-05) 8764瀏覽

【引言】

由于鈉資源豐富、成本低廉，鈉離子電池引起了研究人員的廣泛的關注。然而，鈉離子電池的發展受到鈉本身固有缺陷的限制。首先，鈉的標準電極電勢（-2.71 V vs. SHE）高于鋰（-3.04 V?vs. SHE），導致鈉離子電池具有較低的工作電壓。其次，鈉具有較大的離子半徑，動力學過程緩慢，且電極材料體積膨脹效應更加明顯，致使鈉離子電池的倍率和循環性能較差。為了解決這些問題，研究人員進行了大量的努力來探索合適的電極材料，例如采用具有開放式框架結構或三維結構的電極材料來促進鈉離子傳輸效率，或使用納米結構設計來縮短鈉離子的擴散路徑。除了以上改性手段，通過改進電池結構設計來提升鈉離子電池的電化學性能，可能是另一種新的解決方案。

【成果簡介】

近日，中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳研究員（通訊作者）及其團隊成員蔣春磊博士（第一作者）報道了一種具有多離子?(Na+/Li+/PF6-)設計策略的新型鈉離子全電池。其中，正極材料為膨脹石墨；負極采用可以同時與Na和Li發生合金化反應的金屬材料，并進行集流體/活性材料一體化設計；同時采用具有多離子設計的Na+/Li+/PF6-有機電解液。這種多離子設計策略具有兩大優勢：（1）利用陰離子（PF6-）插層石墨具有高電勢的特點，可顯著提高鈉離子電池的工作電壓；（2）多離子設計策略可有效改善電池的反應動力學，并降低金屬負極在合金化反應過程中的體積膨脹，從而大幅提升了倍率性能和循環壽命。研究結果表明，這種基于多離子設計策略的鈉離子電池具有高達~4.0 V的工作電壓，是目前已報道鈉離子電池的最佳結果之一；同時獲得了高達30 C（容量保持率87%）的倍率性能和500圈（容量保持率95%，5 C倍率）的循環壽命。該研究成果為提升鈉離子電池電化學性能提供了新的解決思路。相關研究成果以“A Multi-Ion Strategy towards Rechargeable Sodium-Ion Full Batteries with High Working Voltage and Rate Capability”為題發表在Angewandte Chemie-International Edition上，并被遴選為VIP論文和封面文章（Inside back cover）。

【圖文導讀】

圖一基于多離子設計策略的鈉離子全電池的結構及電解液和負極材料優化

（a）基于多離子設計策略的鈉離子全電池（SMIB）結構示意圖

（b）在電解液中具有不同Li含量（at.%）的SMIB的電化學阻抗譜，和（c）相應的電荷傳輸阻抗（Rct）值

（d）電解液中具有不同Li含量（at.%）SMIB的充電/放電曲線

（e）采用不同金屬箔負極（Fe，Li，Al和Sn）的SMIB的充電/放電曲線（電解液中Li含量為30 at.％）

圖二優化的SMIB的相關表征

（a）優化的SMIB在2C倍率下的恒電流充電/放電曲線，和（b）相應的dQ/dV V微分曲線

（c）反應前和（d）5?C倍率下循環500圈的Sn負極表面SEM形貌

（e）初始態和完全充電態Sn負極的XRD譜圖

（f）初始態和充電狀態Sn負極的Sn 3d5/2 XPS特征峰，（g）Li 1s?XPS特征峰和（h）Na 1s?XPS特征峰

圖三SMIB的電化學性能表征

?

（a）SMIB在5至30?C的不同倍率下的恒電流充電/放電曲線

（b）電解液中含有30 at.% Li與含有純Na的SMIB的倍率循環性能比較（5-30?C）

（c）不同倍率條件（5-30 C）下SMIB的工作電壓?

（d）SMIB在第100、200、300、400和500圈的充電/放電曲線

（e）電解液中含有30 at.% Li與含有純Na的SMIB的循環性能比較（5 C）

圖四電化學反應及負極電化學應力的可逆性表征和DFT計算

?

（a）Sn負極的充放電曲線，和不同充電/放電狀態下的（b，c）Sn負極及（d）石墨正極的非原位XRD等值線圖

（e）在第二圈循環過程中（2 C倍率），Sn負極的電化學應力隨電壓的變化曲線

（f）Na和Li原子在Sn晶格中的擴散路徑和（g）相應的擴散能壘

（h）合金相NaSn和（i）Li2Sn5的態密度圖

【小結】

總之，本文報道了一種使用新型多離子設計策略的鈉離子全電池。通過電解液及負極材料優化，SMIB表現出了非常高的工作電壓（~4.0?V），并實現了30?C的高倍率性能（容量保持率為87％）和在5?C下循環500圈的長循環穩定性（容量保持率為95％）。研究結果表明，這種多離子設計策略對改善鈉離子全電池的電化學性能具有良好的可行性。

文獻鏈接：“A Multi-Ion Strategy towards Rechargeable Sodium-Ion Full Batteries ?with High Working Voltage and Rate Capability”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201810575)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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