NASICON结构的Na3Fe2(PO4)3作为低成本和高倍率的水系钠离子电池负极材料

【研究背景】

    水系钠离子电池由于具有安全环保,资源丰富,成本低廉等优点,近年来受到了科研工作者的广泛关注。而开发性能优异、成品低廉的电极材料是其发展的关键步骤。与正极材料相比,可作为水系钠离子电池的负极材料相对较。其中NaTi2(PO4)3,因其高容量和高倍率性能成为水系钠离子电池负极中的佼佼者。但从电化学角度考虑,Na在该材料中的嵌入电位(-0.60 V vs. SHE)十分接近H2O的析氢电位(-0.41 V vs. SHE),因此在放电过程中容易发生析氢等副反应;从成本角度考虑,Ti的价格较高,限制了其大规模的应用。基于这两点,本文作者选取了资源丰富且价格低廉的Fe作为Ti的替代,采用极简单的溶胶-凝胶法合成了Na3Fe2(PO4)3,作为水系钠离子电池的负极材料。该材料不仅具有较好的循环性能和倍率性能,且Na在该材料中的嵌入电位(-0.05 V vs. SHE)远高于H2O的析氢电位,极大的避免了氢气的析出,减少了副反应的发生。该工作为发展低成本的Fe基水系钠离子负极材料提供了有益的借鉴和参考。

【内容简介】

    最近,俄勒冈州立大学的冯振兴课题组研究了Na3Fe2(PO4)3作为水溶液钠离子电池负极的一系列的电化学性质,并以同样价格低廉的Fe/Mn基普鲁士白Na2⁠Mn[Fe(CN)6⁠]作为正极,研究了其全电池的电化学行为。该成果以NASICON-type Na3Fe2(PO4)3 as a low-cost and high-rate anode material for aqueous sodium-ion batteries为题发表在 Nano Energy 杂志上。

【图文简介】

NASICON结构的Na3Fe2(PO4)3作为低成本和高倍率的水系钠离子电池负极材料 图1. Na3Fe2(PO4)3的结构分析: A) 同步辐射X射线衍射光谱精修图;B) 晶体结构示意图;C) Fe K边X射线吸收近边光谱图;D) X射线吸收拓展边光谱及拟合。

NASICON结构的Na3Fe2(PO4)3作为低成本和高倍率的水系钠离子电池负极材料图2. Na3Fe2(PO4)3的形貌分析: SEM 和TEM表征。

NASICON结构的Na3Fe2(PO4)3作为低成本和高倍率的水系钠离子电池负极材料图3. Na3Fe2(PO4)3的电化学性能分析:A) 充放电曲线;B, C) 倍率性能;D) 循环伏安测试;E) 扫速和电流的关系;F) 循环性能。

NASICON结构的Na3Fe2(PO4)3作为低成本和高倍率的水系钠离子电池负极材料图4. 全电池的电化学性能分析:A) 工作示意图;B) 充放电曲线;C) 倍率性能;D) 循环性能。

Shen Qiu, Xianyong Wu, Maoyu Wang, Marcos Lucero, Yan Wang, Jie Wang, Zhenzhen Yang, Wenqian Xu, Qi Wang, Meng Gu, Jianguo Wen, Yaqin Huang, Zhichuan J. Xu, Zhenxing Feng, NASICON-type Na3Fe2(PO4)3 as a low-cost and high-rate anode material for aqueous sodium-ion batteries, Nano Energy, DOI:10.1016/j.nanoen.2019.103941

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参考文献:Nano Energy