化工学院郭孝东副教授课题组在Advanced Energy Materials上发表论文——在钠离子电池研究方面取得重要进展-四川大学 Sichuan University

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化工学院郭孝东副教授课题组在Advanced Energy Materials上发表论文——在钠离子电池研究方面取得重要进展

发布时间 :2018年06月10日 来源 :化工学院 编辑 :廖芹 浏览量 :

近日,四川大学化学工程学院新能源材料与器件课题组郭孝东副教授与中科院学者合作,在钠离子电池研究方面取得重要进展,相关研究成果“A Layered–Tunnel Intergrowth Structure for High-Performance Sodium-Ion Oxide Cathode”发表于国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》 (影响因子16.721)上。四川大学化工学院2016级博士研究生肖遥为该论文第一作者,化工学院为第一单位。

 

由于全球分布广泛的钠资源以及价格低廉的钠盐成本,钠离子电池有望应用于未来大规模储能领域。层状过渡金属氧化物NaTMO2正极材料是目前最有希望实现商业化的正极材料之一。NaxMnO2正极材料因其只含有地球丰度高的元素并拥有高理论容量成为研究热点,当0.22 < x < 0.44为隧道结构; 0.44 < x < 0.66为层状−隧道复合结构; 0.66 < x < 1为层状结构。 P2型Na0.7MnO2正极材料理论容量可高达182.0mAhg−1,但是由于材料中Mn3+含有高自旋的t2g3eg1电子态结构会发生姜泰勒晶格畸变效应使材料循环稳定性大幅度降低;而且因其狭窄的二维钠离子扩散通道的限制作用,其倍率性能也会受到严重的影响。与此相比,隧道结构Na0.44MnO2正极材料具有较好的结构稳定性以及可供钠离子快速扩散的较大S型通道,所以具有优异的循环稳定性和倍率性能。但是其较低的理论比容量 (121.4mAhg−1) 严重影响了实际应用。如何将上述两类材料有机的结合起来,同时发挥两者的优势以及深入分析其协同作用机理就显得尤为重要。

因此,课题组研究人员通过合理的结构调制策略设计出了一种层状隧道共生结构的高性能钠离子电池正极材料。此类材料不仅继承了Na0.7MnO2正极材料高容量的优势,其相应的电极在0.2C下能够发挥198.2mAhg−1的比容量而且相应的能量密度能达到520.4Whkg−1,并保留了隧道结构Na0.44MnO2正极材料的优异的循环稳定性和倍率性能。同时,共生材料所具有的独特结构结合各种先进表征手段得到验证,两种结构协同作用的深层次机理也通过电化学方法结合原位XRD等手段进行了详细并深入的分析。本工作提出的结构设计策略和二元协同效应可以进一步推广到其他正极材料体系研究中,这为未来开发高性能钠离子电池正极材料和推进钠离子电池实用化奠定了基础。

 

图1. a) 层状-隧道共生结构的XRD精修谱图。b, c) 层状和隧道结构的晶体结构示意图。d) 层状-隧道共生结构的SEM图。e-i) 层状-隧道共生结构的TEM图以及相应的Na,Mn和O的TEM-EDS图。

 

图2. a-b) 层状-隧道共生结构的TEM图(不同放大倍数)。c-d) 层状-隧道共生结构的HR-TEM图(不同位置)。e-f) 隧道结构在[010]带轴的ABF-STEM和HAADF-STEM图。g-h) 层状结构在[001]带轴的ABF-STEM和HAADF-STEM图。

 

图3. a-b) 层状, 隧道, 与层状隧道共生电极的比容量以及比能量曲线对比。c) 层状隧道共生电极的不同循环次数的恒流充放电曲线。d) 层状, 隧道, 与层状隧道共生电极的倍率性能对比。e) 层状隧道共生电极的不同倍率的恒流充放电曲线。f) 从性能的各个方面与已报道的正极进行对比。g) 层状隧道共生电极在1C下的循环性能。

 

图4. a, b) 层状-隧道共生结构电极在C/10电流密度下进行充放电的原位XRD图以及相应的二维等高线图。


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201800492