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多边界普鲁士蓝你听过没?

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众所周知,由于钠离子的半径比较大,在钠离子脱嵌过程中对电极材料结构造成不可逆变化,导致钠离子电池容量损失大,循环寿命短。近期备受关注的普鲁士蓝材料结构自身存在大的间隙和大量活性空位,这极有利于钠离子脱嵌和扩散,并且普鲁蓝具有良好的电化学稳定性和高达170mAh/g的理论比容量。


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图1 BR-FeHCF的表征 (a) SEM (b) TEM (c) HRTEM (d) 颗粒直径分布 (e) N2吸附曲线


近期,北理工陈人杰课题组合成一种多边界铁氰化物(BR-FeHCF(sodium iron hexacyanoferrate))作为钠离子电池正极材料。材料特殊的结构,为材料提供了大量有效的与电解质接触的面积,同时材料提供了较大的电导率和降低了钠离子嵌入所需能垒。材料良好的导电性加快了电子的转移,自身结构形成开放的钠离子通道,故BR-FeHCF表现出良好的电极性能和超高的比容量。

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图2 BR-FeHCF的电化学性能 电流密度为50mA/g时,(a)库伦效率和长循环 (b) 不同循环次数的充放电曲线 (c) 倍率性能 (d) 不同电流密度的充放电曲线 (e)电流密度为100mA/g的长循环


BR-FeHCF在电流密度为50mA/g 时,首次放电比容量高达120mAh/g,循环150次后容量保持率为81.1%,除了前几圈,库伦效率都达到了99.5%以上;在同样的条件下FeHCF仅能保持66%。BR-FeHCF的倍率性也相当好,电流密度50、100、200、400、800mA/g时,对应的比容量分别为115、113、102、93.6、79mAh/g,当电流密度高达1600mA/g时,对应容量为60mAh/g,容量保持率为52%;当电流密度回到50mA/g时,容量回归到100mAh/g,且库伦效率高达100%。在100mA/g的电流密度下,首次放电比容量为120mAh/g,循环280次后容量保持为95mAh/g。

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图3 (a) BR-FeHCF的CV曲线 (b) BR-FeHCF 的阻抗图谱 (c) BR-FeHCF电极SEI形成示意图 (d) BR-FeHCF电极在不同充放电位的原位SEM

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图4 BR-FeHCF的充放电曲线,(a) 添加2%的FEC (b) 添加5%的FEC (c) BR-FeHCF添加5%FEC的稳定性


BR-FeHCF材料虽然表现出优异的电化学性能,但是由于其与电解质大的接触,造成电极界面与电解质产生副反应。作者通过在电解液中添加FEC(fluoroethylene carbonate),FEC在电极表面形成钝化层,保护SEI不被降解,阻止副反应的发生,提高电极性能


参考文献

Yongxin Huang, Man Xie, Jiatao Zhang, Ziheng Wang, Ying Jiang, Genhua Xiao, Shuaijie Li, Li Li, Feng Wu, Renjie Chen, A novel border-rich Prussian blue synthetized by inhibitor control as cathode for sodium ion batteries, Nano Energy 39(2017)273-283

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