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钠电嵌入型负极–KTi2(PO4)3

为了适应日益减少的锂资源,钠离子电池成为下一代储能装置的首选。而其面临的主要挑战是探索具有较大离子扩散通道和离子存储位置的宿主电极材料。与具有体积变化的转化反应和合金化反应负极材料相比,嵌入型材料可提供高的循环稳定性,更高的首次循环库仑效率和更高的倍率性能。由于其开放3D框架具有高离子电导率,Na快离子导体(NASICON)可以被认为是SIB的理想电极材料。KTi2(PO4)3沿着c轴具有较大的空间,且K+较大的离子半径,使其可提供用于Na+嵌入的更宽阔的离子扩散通道。近期,武汉理工大学麦立强教授课题组利用共沉积和随后的热处理方法制备了碳包覆KTi2(PO4)3复合材料(KTP/C),当用于钠离子电池负极,表现出高的倍率容量和优异的高倍率循环稳定性。该成果发表在国际著名期刊Adv. Energy Mater. (IF:15.23)。

钠电嵌入型负极--KTi2(PO4)3

图1. KTi2(PO4)3合成示意图

电化学性能测试,电化学窗口1.4-3.0V。在5C电流密度下,KTP/C电极初始容量为60mAh/g,由于电极的活化过程,100次循环后容量上升到96mAh/g,1200次循环后容量可以保持在90mAh/g。其倍率性能,1C电流密度时可逆容量为104mAh/g,即使在100C电流密度下容量依旧高达76mAh/g;再次回到低电流密度时,容量也可恢复到100mAh/g,表现出高的可逆性。长循环性能,在20C电流密度下,KTP/C电极初始容量为60mAh/g,200次循环后容量上升到93mAh/g,5000次循环后容量可以保持在69mAh/g,表现出优异的高倍率循环稳定性。

钠电嵌入型负极--KTi2(PO4)3

图2.a) KTP/C 电极在扫速为0.1mV/s下的CV曲线,b) KTP, KTP/G和KTP/C电极在1C电流密度下的充放电曲线,c) KTP, KTP/G和KTP/C电极在5C电流密度下的循环性能,d) KTP, KTP/G和KTP/C电极的倍率性能,e) KTP/C不同电流密度下的充放电曲线,f) KTP, KTP/G和KTP/C电极的电化学阻抗,g) KTP/C在电流密度为20C时的循环性能

尽管材料表现出优异的电化学性能,但其高的反应平台限制其工业化应用,因此需进一步挖掘其最大储钠性能。接下来作者就研究了不同电位窗口下KTP/C电极的电化学性能。结果表明,0.01-1.4V窗口下,在0.45V左右出现一个充放电平台,且循环3000次后可逆容量为40mAh/g;在0.01-3.0V电压窗口下,首次充电容量为185mAh/g,循环100次后容量为150mAh/g,表现出优异的稳定性。随后作者利用碳包覆Na3V2(PO4)3作为正极组装成全电池,电压窗口为0.5-2.0V时,电压平台为1.25V,可逆容量为68mAh/g,循环300次后容量为60mAh/g;当电压窗口为2.5-3.4V时初始容量为83mAh/g,循环100次后容量为72mAh/g电压平台约为3.0V;当电压窗口为0.5-3.4V时,初始容量可以高达165mAh/g,循环50次后容量仍超过100mAh/g

钠电嵌入型负极--KTi2(PO4)3

图3. KTP/C电极在不同电压窗口下的充放电曲线a) 1.4-3.0V, d) 0.01-1.4V, g) 0.01-3.0V;NVP/C//KTP/C全电池在不同电压窗口下的充放电曲线b) 0.5–2.0 V,e) 2.5–3.4 V, h) 0.5–3.4 V;NVP/C//KTP/C全电池在不同电压窗口下的循环性能c) 0.5–2.0 V, f) 2.5–3.4 V, i) 0.5–3.4 V

作者也对该优异的储钠性能给予解释:1) NASICON型晶体结构提供了大的离子扩散通道,2) 纳米尺寸的颗粒缩短了离子扩散路径,3) 均一包覆的碳层提供了高的电子转化以及优异的离子传,从而获得优异的电化学动力学。

Jinzhi Sheng, Chen Peng, Yanan Xu, HaoyingLyu, Xu Xu, Qinyou An, Liqiang Mai, KTi2(PO4)3 with Large Ion Diffusion Channel for High-Efficiency Sodium Storage, Adv. Energy Mater. 2017, 1700247, DOI:10.1002/aenm.201700247

 

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