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自支撑高性能NaVPO4F/C纳米纤维

自支撑高性能NaVPO4F/C纳米纤维

聚阴离子正极材料由于聚阴离子多面体中氧原子的强共价结合而具有稳定的3D主体骨架结构,从而具有优异的热稳定性和长的循环寿命;且开放的3D框架可以为Na+迁移提供足够的间隙通道,并可以缓冲Na+脱嵌过程中的体积变化。NaVPO4F由于高的理论容量(143 mAh/g)、高的电压平台、优异的结构稳定性、低成本的原材料等优势,成为引人关注的钠电正极材料。虽然已有研究者对NaVPO4F做了部分研究,但只在一定程度上提高了其电化学性能,容量也远远低于其理论比容量;且通常合成的NaVPO4F颗粒尺寸较大(微米甚至更大),不利于电子转移和电解质的渗透,从而导致快速的容量衰减,故此还不能满足Na+储存的应用要求。因此,降低晶体尺寸和改变材料的形貌,成为增强NaVPO4F中Na+迁移动力学的有效途径

近期,南开大学焦丽芳等人利用静电纺丝技术合成了高性能的1D NaVPO4F/C复合材料。当其用于钠离子电池正极,表现出优异的可逆容量、倍率性能和超长的循环性能。该成果发表在Adv. Energy Mater. (IF: 15.23)。

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图1.a) NaVPO4F/C纳米线合成示意图,b) NaVPO4F/C纳米线XRD图谱,c) NaVPO4F的晶体结构

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图2.a-c) NaVPO4F/C纳米线不同放大倍数SEM,d-f) NaVPO4F/C纳米线不同放大倍数TEM,g) NaVPO4F/C纳米线TEM及相应的元素mapping


电化学性能研究,作者首先用CV和非原位XPS揭示了材料脱嵌Na+过程中的反应机理;随后研究了不同碳含量对材料电化学性能影响。当碳的含量为4.93 wt%时,材料表现出优异的倍率性能,在1, 2, 5, 10, 30和50C电流密度下,其可逆容量分别为120, 111, 105, 101, 82和61 mAh/g;重要的是,当电流密度回到1C时,其容量可以恢复初始状态119 mAh/g,展现出优异的倍率性能。恒流循环性能,在2C电流密度下循环1000次后,其容量保持率为96.5%,表现出优异的循环稳定性。NaVPO4F/C纳米纤维在180次循环后仍保持其原始结构和形貌,表明1D纳米纤维构建的3D网络结构显著抑制了连续充放电过程中NaVPO4F纳米粒子的粉碎和团聚,产生高的循环稳定性

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图3.a) NaVPO4F/C电极在0.1 mV/s扫速下的CV曲线,b) 电流密度为286 mA/g时充放电曲线,c) NaVPO4F/C电极不同充放电状态下的XPS

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图4.a) NaVPO4F/C电极不同碳含量时的倍率性能,插图为循环180次后的SEM图像,b) NaVPO4F/C电极在286 mA/g电流密度下的长循环性能


随后,作者用NaTi2(PO4)3作为负极组装成全电池,在0.5-2.8V电压窗口、143mA/g电流密度下进行电化学性能测试。全电池初始放电容量为80 mAh/g(基于NaVPO4F/C的质量),循环50次后容量为65.7 mAh/g,库伦效率高达92%。该全电池可以点亮1.8V发光二极管,证明了NaVPO4F/C纳米纤维的潜在实际应用。

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图5. NaTi2(PO4)3–NaVPO4F/C全电池的充放电曲线a)和循环性能b),c) 由NaVPO4F/C的 1D介孔纳米纤维组成的3D导电网络的示意图


作者也对材料优异的电化学性能做出解释:1) 小的纳米粒子(≈6nm)可以缩短Na+迁移距离,多孔结构有利于电解质的渗透,从而有效提高Na+的扩散动力学,2) 1D纳米线交联成独特的3D网络结构,可显着改善了离子和电子传输,并阻止NaVPO4F纳米颗粒在脱嵌过程中的粉碎和团聚,3) 合成的NaVPO4F/C柔性膜可直接作为工作电极,且这种自支撑电极无需添加剂和集流体,从而提高电池的整体能量密度

  

Ting Jin, Yongchang Liu, Yang Li, Kangzhe Cao, Xiaojun Wang, and Lifang Jiao, Electrospun NaVPO4F/C Nanofibers as Self-Standing Cathode Material for Ultralong Cycle Life Na-Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2017, 1700087, DOI: 10.1002/aenm.201700087


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