呂建國/張利強/周亮/葉志鎮 Chemical Engineering?Journal:?超快充、寬溫域、長壽命鈉離子電池負極材料

【引言】

隨著現代社會的快速發展，從便攜式電子設備、電動汽車到工業設備，都迫切需要高性能的儲能設備。為了滿足這些巨大的需求，人們提出了各種電化學儲能系統，包括超級電容器(SCs)、鋰離子電池(LIBs)、鈉離子電池(SIBs)、金屬硫電池和金屬空氣電池。SCs具有較高的功率密度，但它們的能量密度相當低。目前的鋰離子電池還存在著充電時間長、低溫續航時間短、鋰元素成本高等明顯缺點。當然，理想的充電電池應該具有比容量高、循環穩定性好、充電時間短、初始庫倫效率高、工作溫度范圍寬、成本低等優點。遺憾的是，目前很難有儲能系統能夠同時滿足上述要求。

近年來,由于地球上有豐富的鈉元素資源(2.36×10⁴mg/kg)和低廉的原材料成本(Na₂CO₃: ~ 200 $/t, Li₂CO₃:?~ 10000 $/t)，使得鈉離子電池有望成為下一代能量存儲裝置。但較大的鈉離子半徑(1.02 ?)和摩爾質量(22.99 g/mol)極大地影響了Na⁺在電極材料中的擴散速率和鈉離子電池的能量密度。對于鈉離子電池的發展，主要的難點是目前的材料很難在大電流密度下保持良好的循環穩定性，而且難以適應極端的低溫環境。

近年來，為了解決這一問題，人們探索了基于插層、合金化和轉化反應的負極材料。其中，過渡金屬硫族化合物作為一種轉化型負極材料，逐漸引起了人們的廣泛關注。與氧化物和硫化物相比，過渡金屬硒化物具有更高的電導率和更快的轉化反應動力學，有望成為穩定的快充鈉離子電池電極材料。

【成果簡介】

近期，浙江大學材料學院葉志鎮院士團隊的呂建國副研究員、燕山大學張利強教授、武漢理工大學周亮教授合作研發了三維的FeSe₂/rGO復合材料，具有優異的電化學性能，有望成為下一代儲能系統的理想選擇。FeSe₂?/ rGO作為鈉離子電池負極材料，具有優異的倍率性能(205.0 mAh g^?1?at 75 A g^–1 vs 458.6 mAh g^–1?at 0.5 A g^–1)，超級穩定的循環性能(417.7 mAh g–1 after 6000 cycles at 5 A g–1，每圈衰減率僅為0.0006%)，并且在較寬的溫度范圍內(-40至60°C)都具有良好的穩定性。此外，FeSe₂/rGO// Na₃V₂(PO₄)₃/C全電池在電流密度為0.15 A g^-1?(286 W kg^-1)時，循環200次后，其能量密度仍然有145 Wh kg-1。這表明，FeSe₂/rGO復合材料作為鈉離子電池負極具有良好的電化學性能，是下一代儲能系統的理想選擇。

【圖文導讀】

圖?1. FeSe₂/rGO的結構和形貌. a, XRD 圖譜. b,c, SEM 照片. d, TEM 照片.?e, SAED圖像.?f, 能譜。

圖?2. FeSe₂/rGO XPS 和?Raman圖譜. a, Fe 2p. b, Se 3d. c, C 1s. d 和e,?Raman 圖譜。

圖3.?FeSe₂/rGO作為鈉離子電池負極的電化學性能。a, 電流密度為0.5 A?g^-1的循環性能。b、不同周期的充放電曲線。c,倍率性能。d，與其他的鈉離子電池陽極材料對比的速率性能。e，在5 A g^-1的大電流密度下的長循環性能。

圖4.?FeSe₂/rGO負極在高/低溫下的電化學性能a，循環性能；b，不同溫度下對應的充/放電曲線。c, 60 °C的循環性能。d，?40 °C的循環性能。

圖5.?a，在0.15 A g^-1的電流密度下，?FeSe₂/rGO//NVP/C的全電池的循環性能。b、FeSe₂/rGO//NVP/C全電池的充/放電曲線。負載量是基于FeSe₂/rGO和NVP/C質量之和。

圖6. FeSe₂/rGO負極的動力學研究。a，不同掃描速率下的CV曲線。b, log i與log v的關系c, 循環不同次數后的Nyquist圖，d，對應的w^1/2對?Z″的擬合線。

圖7. FeSe₂/rGO與Na的原位電化學反應的TEM和SAED圖像。a, 反應前TEM和b, SAED的圖像。c, TEM和d，SAED的圖片，電壓為-2 V。e, TEM和f, SAED圖像，電壓為-2.5 V。g, TEM和h, SAED圖像，電壓為-3.0 V。

該工作以An ultra-stable anode material for high/low-temperature workable super-fast charging sodium-ion batteries為題目發表于《Chemical Engineering Journal》。論文第一作者為浙江大學材料科學與工程學院博士生田楊。浙江大學呂建國副研究員、燕山大學張利強教授、武漢理工大學周亮教授和浙江大學葉志鎮院士為共同通訊作者。

文獻鏈接：An ultra-stable anode material for high/low-temperature workable super-fast charging sodium-ion batteries, Chemical Engineering Journal, 422 (2021) 130054. ?

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721016399?dgcid=author

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