武汉理工大学Nano Energy:无序工程提升NaFePO4储钠性能的原子尺度结构起源

Alisa 5年前 (2019-01-14) 3736浏览

【前言】

因储量丰富易于获取，目前钠离子电池作为锂离子电池的替代品备受关注。钠离子电池的众多候选正极材料中，NaFePO4因拥有高理论容量(155 mAh g−1)、低成本、高结构稳定性等优势，吸引了众多科研人员和技术人员的关注。然而，热力学稳定NaFePO4相具有磷铁钠矿结构，理论和实验证明该相作钠离子电池正极时是电化学惰性的。如何利用热力学稳定磷铁钠矿NaFePO4是本领域亟待突破的重要科学和技术问题。

图文摘要：NaFePO4各相间的结构差异

 

【成果简介】

通过高能球磨，制备了具有不同非晶相含量的系列NaFePO4复合材料，证明了非晶相含量与储钠容量之间的关系；优化后的NaFePO4复合材料表现出优异的循环稳定性，在1 C倍率下容量约115 mAh g−1, 循环800次后容量保持率为91.3%；结合同步辐射、拉曼散射等技术方法，揭示了无序工程提升储钠性能的原子尺度结构起源，提供了一种改善电池性能的新途径，同时也为电池的研究开辟了一个新的研究方向。

论文第一作者是陶海征教授、麦立强教授和岳远征教授指导的博士生熊方宇，陶海征教授和岳远征教授是通讯作者，近日以“Revealing the atomistic origin of the disorder-enhanced Na-storage performance in NaFePO4 battery cathode”为题目发表在Nano Energy上。

【图文简介】

图1 储钠性能

 

(a) 晶态磷铁钠矿NaFePO4和球磨不同时间的NaFePO4在1 C（155 mA g-1）倍率下的循环性能。

(b) 球磨15小时的NaFePO4对应的充放电曲线;

(c) 球磨15小时的NaFePO4的循环性能.

(d) 球磨15小时的NaFePO4的倍率性能

图2 结构形貌表征

(a-c) FESEM 图像：晶态磷铁钠矿NaFePO4 (a)，球磨5小时的NaFePO4 (b)和球磨15小时的NaFePO4 (c)； 

(d) 球磨15小时NaFePO4的TEM图像； 

(e-g) HRTEM图像：晶态磷铁钠矿NaFePO4 (e)，球磨5小时的NaFePO4 (f)和球磨15小时的NaFePO4 (g)；

(h) 球磨15小时的NaFePO4HAADF图像和EDS元素分布图。

图3 NaFePO4的相变

(a)晶态磷铁钠矿NaFePO4、晶态橄榄石NaFePO4和NaFePO4复合材料（球磨15小时的NaFePO4）的TG和DSC曲线； (b) 晶态磷铁钠矿NaFePO4和球磨不同时间NaFePO4的DSC曲线。

图4 NaFePO4不同相的结构差异分析

 

晶态磷铁钠矿NaFePO4、晶态橄榄石NaFePO4和NaFePO4复合材料（球磨15小时NaFePO4）的(a) Na K边XANE光谱，(b) O K边XANE光谱，和(c)Raman光谱.

图5 钠离子扩散机制结构示意图

 

(a) 非晶态NaFePO4可能的Na扩散路径和原子尺度结构示意图；

(b) 晶态橄榄石NaFePO4和(c)晶态磷铁钠矿NaFePO4结构示意图。

【小结】

通过调控球磨参数制备了具有不同非晶相含量NaFePO4同质多相复合材料，并证明了非晶相含量与储钠容量之间的关系。优化后的NaFePO4展现出优异的循环稳定性，在1 C倍率下容量约115 mAh g−1, 循环800次后容量保持率91.3%。这可以归因于非晶相与晶相的协同效应，即活性的非晶相有利于实现高的储钠容量，而非活性的晶相能够增强结构稳定性。此外，揭示了该材料中无序工程提升储钠性能的原子尺度结构起源，即非晶化过程中共边的[FeO6]八面体向共顶或共边[FeOn]多面体的转变是获得高储钠性能的关键。作者通过系统表征发现了无序工程提升NaFePO4电化学性能的原子尺度机制，该工作为通过无序工程开发新的电极材料具有重要指导意义。

文献链接

F. Y. Xiong, Q. Y. An, L. X. Xia, Y. Zhao, L. Q. Mai, H. Z. Tao* and Y. Z. Yue**: “Revealing the atomistic origin of the disorder-enhanced Na-storage performance in NaFePO4 battery cathode”, Nano Energy57 (2019) 608-615.

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.087

“极端玻璃态实验室”简介：

岳远征教授于2013年受聘武汉理工大学特聘教授以来，与G. Neville Greaves教授、赵修建教授、陶海征教授共同组建了“极端玻璃态实验室”，与剑桥大学、宾夕法尼亚州立大学和美国Corning公司等国际著名玻璃团队建立了实质性合作关系。实验室逐步形成了“气动悬浮熔体的热动力学”、“高能球磨离子导电玻璃”以及“MOF玻璃”三大研究方向。

本文由武汉理工大学极端玻璃态实验室供稿，材料人编辑部编辑。

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