首页 > 行业资讯 > 广工孙志鹏课题组《Small Methods》：零应变复合材料作为钠离子电池正极在宽温域内拥有超高倍率性能

广工孙志鹏课题组《Small Methods》：零应变复合材料作为钠离子电池正极在宽温域内拥有超高倍率性能

时间：2023-12-03 来源： 浏览：

广工孙志鹏课题组《Small Methods》：零应变复合材料作为钠离子电池正极在宽温域内拥有超高倍率性能

原创 化学与材料科学 化学与材料科学
化学与材料科学

Chem-MSE

聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

点击蓝字关注我们

Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 (NVPF) 由于其良好的热力学稳定性、较高的工作电压 (3.7 V 和 4.1 V) 以及适中的放电容量 (128 mAh g − 1 ) 等优点，是一种极具潜力的钠离子电池正极材料。然而由于其较强的共价键导致低的电子电导率，因此 NVPF 的倍率性能较差，此外由于 Na + 较大的离子半径在充放电过程中引起晶胞较大的体积应变影响了 NVPF 的长循环稳定性，这些问题阻碍了 NVPF 的实际应用。

近日，广东工业大学孙志鹏教授课题组 在 Small methods 期刊上发表了题为“ Zero-strain Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 @rGO/CNT Composite as a Wide-Temperature-Tolerance Cathode for Na-Ion Batteries with Ultrahigh-Rate Performance ”的研究性论文 。 在此利用自组装策略将 0D Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 (NVPF) 纳米颗粒与 1D CNT 、 2D rGO 结合，构建了 3D NVPF@rGO/CNT 导电网络。 NVPF@rGO/CNT 在不添加导电剂的情况下在 −40℃ 至 50℃ 的宽温域内展现出优异的倍率性能以及循环稳定性。此外， NVPF 颗粒在充放电过程中展现出 “ 零应变 ” 特性，晶胞体积变化仅为 0.4% 。

图 1. NVPF@rGO/CNT 复合材料制备流程图。
如图 1 所示，首先使用微波辅助水热法合成 NVPF 前驱体，然后将 NVPF 前驱体与 GO 和 CNT 超声分在在乙二醇溶液中，然后进一步的溶剂热反应得到 NVPF 前驱体 @GO/CNT 凝胶，最后在氮气氛围下高温烧结得到 NVPF@rGO/CNT 复合材料。
图 2. a, b) NVPF 的 SEM 图 , c, d) NVPF@rGO/CNT 的 SEM 图 , e, f) NVPF@rGO 的 SEM 图 , g) NVPF@rGO/CNT 的 TEM 图 , h) NVPF@rGO/CNT 的高分辨 TEM 图 , i) NFVP@rGO/CNT 的 mapping 图。
NVPF 以二次颗粒的形式存在，二次颗粒的尺寸约为 300 nm ( 图 2a-b) 。从 SEM 图 ( 图 c-d) 中可以观察到 NVPF 颗粒与 rGO 及 CNT 紧密结合，这为电子传输提供了更多的传输路径，有利于倍率性能的提高。此外相互交联的紧密结构有利于缓解充放电过程中的体积膨胀，还可以抑制活性材料在循环过程中发生团聚。
图 3. a) XRD, b) NVPF@rGO/CNT 的 XRD 精修结果 , c) Raman , d) NVPF@rGO/CNT 的 V 2p XPS, e) NVPF@rGO/CNT 的 C 1sXPS, f) NVPF@rGO/CNT 的热重曲线。
XRD 测试结果 ( 图 3a) 显示溶剂热反应后， NVPF@rGO 、 NVPF@rGO/CNT 样品的衍射峰相较于 NVPF 向低角度发生了偏移，表明它们拥有更大的晶胞尺寸，这有利于 Na + 的扩散。 XRD 精修结果 ( 图 3b) 进一步证实了上述结论。 Raman 结果 ( 图 3c) 表明 NVPF@rGO/CNT 的 I D /I G 为 0.87 ，低于 NVPF@rGO 的 1.19 ，表明 NVPF@rGO/CNT 拥有更高的石墨化程度，更好的电子导电性。此外，在 NVPF@rGO/CNT 和 NVPF@rGO 样品中并没有检测到 NVPF 的信号，侧面证实了 rGO/CNT 对 NVPF 良好的包覆效果。热重测试结果显示 rGO/CNT 在 NVPF@rGO/CNT 复合材料中的占比仅为 3.2% 。
图 4. 常温下的电化学性能 (25 ℃ ). a) 倍率性能 , b) 拉贡图 , c) 1 C 下的循环性能 , d) 10 C 下的循环性能。
NVPF@rGO/CNT 在常温下 (25 ℃ ) 以 0.5 C 的速率充放电时拥有 121.7 mAh g −1 的高比容量，即使以 60 C 的超高速率充放电 ( 充放电时间仅为 1 分钟 ) 仍然保持有 101 mAh g −1 的比容量。 NVPF@rGO/CNT 以 1 C 的速率充放电 500 圈后容量保留率为 90.4% ，以 10 C 的速率充放电 6000 圈后容量保留率为 88.4% ，具备优异的循环稳定性。值得注意的是所有的电化学性能测试均没有添加额外的导电剂 ( 下同 ) 。
图 5. 常温下的电化学性能 (25 ℃ ). a) NVPF@rGO/CNT 的 CV 曲线 , b) NVPF@rGO/CNT, NVPF@rGO, NVPF 在 2 mV s −1 下的 CV 曲线 , c) 不同电位下的 b 值 , d) EIS 图 , e) Z’ 与 ω −1/2 的线性关系 , f) NVPF@rGO/CNT 导电路径示意图。
NVPG@rGO/CNT 的 CV 曲线 ( 图 5a) 展现出近乎完美的对称性，相较于其他两种电极 ( 图 5b) ，拥有更小的极化程度，表明 NVPG@rGO/CNT 具备更好的电化学可逆性。 EIS 测试结果表明 NVPF 展现出更小电荷转移电阻，这归因于电子 rGO/CNT 导电网络提供了更丰富的电子传输路径 ( 图 5f) 。
图 6. GITT 曲线以及对应的 Na + 扩散系数 . a, d) NVPF@rGO/CNT, b, e) NVPF@rGO, c, f) NVPF 。
GITT 测试结果 ( 图 6) 表明 NVPF@rGO/CNT 具有更快的钠离子扩散动力学，这归因于溶剂热反应后 NVPF@rGO/CNT 的晶格得到优化，拥有更大的晶胞参数。
图 7.a, b) NVPF@rGO/CNT 在不同充放电状态下的 XRD 曲线 , c) NVPF@rGO/CNT 与其他最近报道的钠离子电池正极材料体积应变的比较。
非原位 XRD 测试结果 ( 图 7a-b) 表明在充电过程中 NVPF@rGO/CNT 的衍射峰向高角度发生偏移，对应于钠离子从晶格中脱出，晶胞发生收缩。放电过程中衍射峰向低角度发生偏移，对应于钠离子嵌入到晶格中，晶胞发生膨胀。值得注意的是衍射峰的偏移高度可逆并且偏移角度极小，计算得到晶胞体积应变仅为 0.4% ，表明 NVPF@rGO/CNT 具有零应变特性。
图 8. 宽温域内的电化学性能 a) 50 ℃ 下的倍率性能 , b) −20 ℃ 下的倍率性能 ,c) NVPF@rGO/CNT 在不同温度下的放电容量 ,d) NVPF@rGO 在不同温度下的放电容量 , e) NVPF 在不同温度下的放电容量 , f) 不同温度下的拉贡图 , g) 0 ℃ 下的循环性能 (1 C) 。
通过横向比较 ( 图 8a-b) ， NVPF@rGO/CNT 在 90 ℃ (−40 至 50 ℃) 的温度区间内展现出优异的电化学性能，在所有温度下都明显优于 NVPF 以及 NVPF@rGO 电极。通过纵向比较 ( 图 8c-e) ， NVPF@rGO/CNT 在 −40 ℃ 的低温下仍然保持有常温下比容量的 80.3% ，而 NVPF 以及 NVPF@rGO 电极分别仅为 39.3% 、 70.5% 。

作者简介

向上滑动阅览

孙志鹏教授 ，国家高层次引进人才，现任广东工业大学材料与能源学院副院长，校“百人计划”特聘教授，博士生导师，广东省重大人才工程团队核心成员，江苏省“双创人才”（创新类）。主要从事有关新能源存储与转换器件（包括：锂/钠/锌离子电池、超级电容器、燃料电池等），介孔功能复合材料和传感器等研究。迄今为止，共发表SCI学术论文100余篇，出版中文论著1部，授权国家发明专利10件。先后主持国家自然科学基金、国家质检总局科研基金、留学回国人员启动基金、广东省科技厅国际合作基金、企业横向等20项。此外，长期参与科技部国际合作项目、教育部重大人才项目、广东省科技厅/浙江省科技厅/新疆科技厅等项目评审工作，担任Adv. Mater., Small, Appl. Catal. B-Environ., 等10多个核心期刊的评审人。

原文链接

https://doi.org/10.1002/smtd.202301277

相关进展

广东工业大学孙志鹏教授课题组《Inorg. Chem. Front.》：界面工程和异质金属掺杂的纳米片阵列用于高效电催化析氧

广东工业大学孙志鹏教授课题组《Inorg. Chem. Front.》：Ge取代P用于合成新型Ni–Ge–P锂电池负极

广工孙志鹏教授、KIT Julia Maibach教授 AFM: LNMO水溶液处理结构演变

广东工业大学孙志鹏教授团队 ChemSusChem：采用溶胶-凝胶法和微波辅助水热法制备NVP和NVOPF聚阴离子正极

广东工业大学孙志鹏教授课题组《ACS AMI》：一种全活性双金属磷化物Zn0.5Ge0.5P钠离子电池负极

广东工业大学孙志鹏团队《ChemSusChem》:  正极电解液组分的优化及界面性质的调控用于高倍率钠离子电池

广工大孙志鹏课题组《Mater. Today Phys.》：废弃泡沫镍中提取低成本NiSe2作为钠离子电池的高性能负极材料

广工大孙志鹏教授课题组《ACS AMI》：调控氟化磷酸钠钒相组分及其与石墨烯的协同效应

免责声明：部分资料可能来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。原创文章欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载请联系。联系邮箱：chem@chemshow.cn

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程及生物医学工程等产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学会及时选用推送。

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息