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工业级高能量密度的钠离子电池正极层状O3型氧化物材料

工业级高能量密度的钠离子电池正极层状O3型氧化物材料

从经济效益上讲,钠离子电池要优于锂离子电池,因为钠在地球的储量丰富,价格低廉。但是,钠离子电池存在几个致命的问题导致它难以实际应用,例如:首次库伦效率低,循环中有效利用的钠少和工业生产可行性差。

工业级高能量密度的钠离子电池正极层状O3型氧化物材料

图1 a) 沉淀法合成材料的仪器图片 b) O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2的SEM c) 材料的STEM d) 对应的电子衍射 e-i) 不同元素 j) XRD k-n)元素的EELS o-q) HAADF-STEM


为解决上述问题,实现钠离子电池的工业化生产,澳大利亚卧龙岗大学的Wen-Bin Luo和Shi-Xue Dou课题组的工作人采用简单调节pH共沉淀、改变投料速率和反应温度制备出适用于工业化生产高能量密度的钠离子电池正极材料——层状O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2


工业级高能量密度的钠离子电池正极层状O3型氧化物材料

图2 a) CV曲线 b-c) 不同电流密度下的充放电曲线 e) 倍率曲线 f) 高倍率循环曲线


工业级高能量密度的钠离子电池正极层状O3型氧化物材料

图3 a) O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2的GITT曲线b)  电压与系数的关系 c) 在充放电时Na相对的值d) Na在不同电压值下的扩散系数


O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2作为钠离子电池正极材料表现出良好的电化学性能,在0.1、0.5和1C的电流密度下可逆容量分别达到172、153和123.7mAh/g,除了首次循环,之后每次循环的库伦效率都接近100%;在电流密度为0.1C,循环200次后容量保持率为87.7%;在电流密度为0.5C时,首次放电和充电比容量为171.1和152.8mAh/g,库伦效率高达89.3%,循环400次后可逆比容量仍为103mAh/g,容量保持率高达67.4%;特别是在1C的电流密度下材料循环400次仍旧保持122.5mAh/g的比容量。O3型Na[Li0.05Mn0.50Ni0.30Cu0.10Mg0.05]O2如此好的电化学性能,有望使钠离子电池投入实际应用。

工业级高能量密度的钠离子电池正极层状O3型氧化物材料

图4 a) 活性物质循环400次后的HAADF-STEM-EELS图谱 b-d) 对应a图中不同元素 e-g) 对应的FFT

作者利用原位XRD证明在循环过程中材料结构稳定,又检测在材料的阻抗和Na+扩散系数,证明Li和Mg可以调高材料的电导率,良好的Na+扩散系数可以提高材料的倍率性能,同时通过实验证明材料中的Cu可以改善材料表面结构,从而材料可以在空气中不被氧化,从而实现材料的工业化生产。

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图5 a) 充放电曲线 b) 全电池在0.5C的循环寿命 c) 已报道的钠离子全电池的能量密度 d) 钠离子电池为LED用电器件供能


作者以硬碳为负极材料与材料组成全电池,全电池首次放电的库伦效率达到83.2%,可逆容量达到200mAh/g;在0.5C的电流密度下,循环100次库伦效率为98%,而且能量密度高达215Wh/kg。进一步表明作者合成的材料在钠离子电池中有很大的应用前景。


参考文献

Jianqiu Deng, Wen-Bin Luo, Xiao Lu, Qingrong Yao, Zhongmin Wang, Hua-Kun Liu, Huaiying Zhou, Shi-Xue Dou, High Energy Density Sodium-Ion Battery with Industrially Feasible and Air-Stable O3-Type Layered Oxide Cathode, Adv. Energy Mater. 2017, 1701610

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