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钠离子电池:高倍率/长寿命无定型锡基复合氧化物

在能源领域正在逐渐摆对脱化石能源的依赖,向可再生能源转移的关键时刻,一个足够可靠的能量存储装置就显得尤为重要,在过去的数十年里锂离子电池在小型化的电子设备领域扮演了重要角色,但它存在的安全与成本问题使人们希望发展一种更加廉价且安全的储能技术。丰富的储量和低廉的成本使钠离子电池有可能成为超越锂离子电池的存在,如果能找到一种合适的可以充分容纳Na+快速脱嵌的材料,这一切都将实现。近日,吉林大学的杜菲教授课题组首次提出了无定型a-Sn2P2O7/还原氧化石墨烯 (a-Sn2P2O7/RGO)作为钠离子电池钠负极材料,表现出超高的容量、倍率性能和超长的循环寿命。目前这一成果已经发表在top期刊Adv. Energy Mater.(16.721)上。

钠离子电池:高倍率/长寿命无定型锡基复合氧化物

1. a-Sn2P2O7/RGO的合成示意图

只需通过简单两步球磨法制备a-Sn2P2O7/RGO。首先,第一步将商业化的Sn2P2O7颗粒球磨粉碎成小尺寸粒子;其次,为了增加电导率和缓解钠化过程造成的体积膨胀,将得到的Sn2P2O7粒子与石墨烯混合球磨得到最终产品a-Sn2P2O7/RGO。

a-Sn2P2O7/RGO储钠性能:在50mA/g的电流密度下,其初始放电与充电容量分别为950和490mAh/g,不可逆容量主要来自于SEI膜的生成和RGO捕获了一部分Na+,第二圈的脱钠曲线与第一圈几乎完全重叠,暗示了它出色的倍率性能以及第一圈充放电对电池进行了很好的活化,即使经过100次循环后,容量也仍然保留了80%。恒电流间歇滴定技术(GITT)测定的曲线与CV曲线结果相吻合,表明a-Sn2P2O7/RGO钠化/脱钠过程良好的动力学性质。a-Sn2P2O7/RGO的倍率性能也相当的优异,在2和10A/g的电流密度下,其容量分别为250和170mAh/g,并且在当回到0.1A/g后其容量也恢复到410mAh/gRGO主要的作用是缩短了扩散路径和作为导电网络。a-Sn2P2O7/RGO的寿命亦不可思议的长,在2A/g的电流密度下,经过15000次循环后容量还保留了70%。

钠离子电池:高倍率/长寿命无定型锡基复合氧化物

图2. a-Sn2P2O7/RGO的电化学性能。a)a-Sn2P2O7/RGO的首周和第二周钠化/脱钠曲线;b)a-Sn2P2O7/RGO在0.05mV/s的扫速下的CV曲线;c)a-Sn2P2O7/RGO的GITT曲线;d)a-Sn2P2O7/RGO的倍率性能;e)a-Sn2P2O7/RGO在2 A/g的电流密度下的循环性能图

a-Sn2P2O7/RGO不仅是在半电池中性能出色,在全电池中同样也具有出色的表现。与不同的材料组装全电池(SPO || NVPF和 SPO || NVP),SPO || NVPF和 SPO || NVP在0.5C倍率下经过100次循环后容量分别保留了90.9%和99.8%;即使在10C倍率下经过1000次循环后,SPO || NVP虽然初始容量在80mAh/g左右,但几乎100%保留,而SPO || NVPF还保留了67%(性能的差异主要是不同正极材料的脱嵌钠机制所导致的)。根据Ragone曲线计算,即使是性能较差的SPO || NVPF的功率密度也达到了9000W/kg,能量密度达到了160Wh/kg(而LiFePO4–Li4Ti5O12体系的锂电只有142Wh/kg)。

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图3.a-Sn2P2O7/RGO负极与NASICON结构的正极在全电池中的应用。 a)SPO || NVPF的放电/充电曲线;b)SnPO ||NVP的放电/充电曲线。c)全电池的倍率性能(1-60C,1C=100 mAh/g);d)相应的Ragone图;e)在10C倍率下的循环性能

Xu Yang, Rong-Yu Zhang, Jing Zhao, Zhi-Xuan Wei, Dong-Xue Wang, Xiao-Fei Bie,Yu Gao, Jia Wang, Fei Du, Gang Chen, Amorphous Tin-Based Composite Oxide: A High-Rate and Ultralong-Life Sodium-Ion-Storage Material, Adv. Energy Mater., 2017, DOI:10.1002/aenm.201701827 

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