山東理工大學聯合南開大學：高熵P2/O3雙相正極可充鈉電池正極材料

Alice123 2個月前 (04-24) 1045瀏覽

一、 【導讀】

? ? ? ? 鋰電池在目前全球新能源市場中，在新能源電池中應用廣泛。鈉離子電池和鋰離子電池的工作原理可以說是非常接近的，但在電池材料方面還是存在一定差異。鈉離子電池是利用鈉離子在充放電時，在正極、負極材料中反復地嵌入、脫出，從而發生可逆的氧化還原反應，故其工作原理與鋰離子電池相似。電池材料上的差異主要體現在正極、負極和集流體方面。

? ? ? ? 鈉電池材料成本相比于鋰電池大幅下降。其材料成本降幅在30%-40%，其降本原因主要在于：1、金屬鈉地殼豐度高，價格遠低于鋰。2、集流體不同，鋰電負極集流體必須為銅箔，而鈉電池正負極集流體可以均為更為便宜的鋁箔。2023年有望成為鈉離子電池量產元年，對于鈉離子電池相關企業可以關注：寧德時代、維科技術、華陽股份、振華新材、鵬輝能源等。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 層狀鈉錳基氧化物可用于鈉離子電池的正極材料，但有限的初始庫侖效率(ICE)和較差的結構穩定性成為其發展受限的原因。高熵雙相Na0.7Mn0.4Ni0.3Cu0.1Fe0.1Ti0.1O1.95F0.1正極材料被報道表現出顯著的初始庫侖效率(ICE)、倍率性能和循環性能。原位結構分析揭示了，在正極制備過程中通過改變燒結溫度，可調的P2/O3的比例。合成的高熵氧化物的P2/O3比為23：77(wt%)，提供了97.6%的高ICE，在800 mA g-1的電流密度下具有86.7 mAh g-1的可觀放電比容量，以及在-40至50 ℃的寬溫度范圍內具有可觀的容量保持率。另外，基于正極的質量，在1172 W Kg-1的功率密度下，耦合Na0.7Mn0.4Ni0.3Cu0.1Fe0.1Ti0.1O1.95F0.1和硬碳的全電池表現出268.3Wh kg-1的能量密度。該工作由山東理工大學的周晉教授、翁俊迎副教授聯合南開大學的程方益教授，以標題為：“High-entropy P2/O3 biphasic cathode materials for wide-temperature rechargeable sodium-ion batteries”發表在Energy Storage Materials上。

?三、【核心創新點】

  1. 在不同燒結溫度下，P2/O3比例可調的P2/O3雙相結構的生成。
  2. 合成的高熵氧化物的P2/O3比為23：77(wt%)，提供了97.6%的高ICE，在800 mA g-1的電流密度下具有86.7 mAh g-1的可觀放電容量，以及在-40至50 ℃的寬溫度范圍內具有可觀的容量保持率。

?四、【數據概覽】

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圖1. (a)P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF在燒結過程中的原位XRD圖的等高線圖。(b)在550 ℃下燒結的NaMnNiCuFeTiOF的HRTEM圖像。(c)在各種溫度下燒結的P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF的P2/O3比和(d)初始充電/放電曲線。?2023 Energy Storage Materials

圖2. (a) XRD精修圖譜，(b)P2和O3相的晶體結構示意圖，(c)HRTEM圖像，(d)EDS圖譜，(e)在900 ℃下燒結的P2/ O3-NaMnNiCuFeTiOF的XPS光譜。?2023 Energy Storage Materials

圖3. (a)P2-Na0.7MnO2和P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF的初始充電/放電曲線。(b)前三個CV曲線，(c)倍率性能，和(d)P2/03-NaMnNiCuFeTiOF在不同溫度下的循環性能。?2023 Energy Storage Materials

圖4. 在(a)30 ℃和(B)-40 ℃下初始充電/放電過程中的原位XRD圖，(c)不同溫度下原位XRD圖的等高線圖，(d)Na+提取后晶格參數的演變，(e)XRD圖，(f)老化P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF的HRTEM圖像，以及(h)循環P2/ O3-NaMnNiCuFeTiOF的HRTEM圖像。?2023 Energy Storage Materials

圖5. (a)P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF在不同充電/放電狀態下的初始循環期間的非原位XPS光譜。(b)原始狀態和(c，d)充電至4.0V的P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF的HAADF圖像。(e)Ni遷移的示意圖。?2023 Energy Storage Materials

圖6. 用NEB方法計算了Na離子在(a)純P2-Na0.7MnO2、(b)摻雜P2-Na0.7MnO2、(d)純O3-NaMn0.5Ni0.5O2和(e)摻雜O3-NaMn0.5Ni0.5O2中的最佳擴散路徑。(g)在不同溫度下的EIS光譜，(h)GITT曲線，(i)計算的P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF的DNa+。?2023 Energy Storage Materials

圖7. (a)初始前三圈充電/放電曲線，(b)倍率性能，(c)相應的能量密度和功率密度，(d)全電池P2/03-NaMnNiCuFeTi OF//硬碳的長循環性能。(h)P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF的結構演化示意圖。?2023 Energy Storage Materials

五、【成果啟示】

? ? ? ? 本文設計并合成了一種高熵P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF作為一種有前途的SIB正極材料。通過原位XRD分析發現，在不同燒結溫度下，P2/O3比例可調的P2/O3雙相結構的生成。組成配方的P2/O3-NaMnNiCuFeTiOF提供高ICE（20 mA g?1時為97.6%）、相當大的倍率性能（800 mA g ?1時為86.7 mAh g? 1）、在寬范圍內的顯著容量保持率（200 mA g?1時為97.6%）、高容量保持率（800 mA g?1時為86.7 mAh g?1）。

? ? ? ? 結合實驗和計算研究表明，所制備的Na0.7Mn0.4Ni0.3Cu0.1Fe0.1Ti0.1O1.95F0.1正極由于獨特的P2/O3兩相結構和高熵效應，具有可逆的結構演化、快速的Na+擴散動力學和低的能壘。為高熵P2/O3雙相正極的設計和制備帶來了深入的見解，以構建先進的鈉離子電池。

原文詳情：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829723001083

本文由金爵供稿

 

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