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化工学院钟本和、郭孝东课题组在Advanced Materials上发表研究论文

时间:2018-09-16  来源:化工学院   作者: 

近日在四川大学杰出教授钟本和教授带领下化学工程学院新能源材料与器件课题组郭孝东副教授等在钠离子电池研究方面取得突破性进展,相关研究成果“Exposing {010} Active Facets by Multiple-Layer Oriented Stacking Nanosheets for High-Performance Capacitive Sodium-Ion Oxide”发表于国际顶级期刊 Advanced Materials (影响因子21.950)上。该论文第一作者为四川大学化学工程学院2016级博士研究生肖遥,通讯作者是郭孝东副教授和四川大学特聘教授郭玉国研究员,四川大学化学工程学院为第一单位。

钠离子电池由于全球分布广泛的钠资源以及价格低廉的钠盐成本在未来大规模储能,便携式电子设备,小型低速电动车等领域有广阔的应用前景。层状过渡金属氧化物正极材料制备简单,比容量高,离子电导率高,是目前最有希望实现商业化的正极材料之一。 但是钠离子半径较大以及晶体结构存在电荷有序和钠空位有序等因素,使得钠离子在层状材料的脱嵌过程中很容易发生不可逆相变而且动力学性质较差,严重影响了材料的电池性能。对于O3-NaNi0.5Mn0.5O2一类高容量的富钠正极材料,在充放电过程中存在O3hex.-O¢3mon.-P3hex.-P¢3mon.-P3′′hex.多重相变以及钠离子传输动力学缓慢的问题,导致电池性能衰减严重。所以抑制不可逆相变和提高钠离子传输动力学性质是提高层状正极材料性能的关键。

图1. a, b) O3-NaNM和O3-NaLNMCM的XRD精修图。c) O3型正极材料的晶体结构示图。d-m) O3-NaLNMCM的SEM,TEM,HR-TEM,SAED和TEM-EDS图。

图2. a, b) O3-NaNM和O3-NaLNMCM在0.5C倍率下的恒流充放电曲线。c, d) O3-NaNM和O3-NaLNMCM在0.1mV/s下的循环伏安图。e-h) O3-NaNM和O3-NaLNMCM的倍率性能及不同倍率下的充放电曲线。i, j) O3-NaLNMCM在不同扫速下的循环伏安图和相应的线性合。k) O3-NaLNMCM在0.1mV/s的电容贡献。l) O3-NaLNMCM在不同扫速下的电容献。m) O3-NaLNMCM在5C倍率下的长循环性能。


图3. a-c) O3-NaLNMCM的Ni-K edge, Mn-K edge, Cu-K edge的X射线吸收近边结构 (XANES)。d-f) O3-NaLNMCM的Ni-K edge, Mn-K edge, Cu-K edge的扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS)。

图4. a, b) O3-NaLNMCM电极在C/10电流密度下进行充放电过程的原位XRD图以及相应的二维等高线图。

图5. a) O3-NaLNMCM与硬碳组成全电池的放电示意图。b) O3-NaLNMCM与硬碳的循环伏安和恒流充放电曲线。c, d) 全电池的倍率性能及相应的充放电曲线。e, f) 全电池在5C倍率下的循环性能及不同循环次数的充放电曲线。

因此,课题组研究人员通过表观结构优化和体相化学元素取代的双功能调制策略设计出了一种由多层有序堆积的纳米片所构筑的{010}活性晶面结构用于高性能电容型钠离子氧化物正极材料O3-Na[Li0.05Ni0.3Cu0.1Mg0.05Mn0.5]O2。此类纳米片状结构可以缩短钠离子传输距离和增大电极电解液的接触面积。而且结合定量的动力学分析,钠离子的存储机制是以电容行为为主,极大的提高了钠离子传输动力学性质,所以电极表现出优异的倍率性能。另外从充放电曲线,循环伏安测试,半原位X射线吸收谱和原位X射线衍射的分析结果可以推断出Ni2+/Ni3+和Cu2+/Cu3+氧化还原电对均参与到电荷补偿机制。同时高电压区域的多重不可逆相变也得到抑制,仅保留了一个在宽的钠含量组成范围内高度可逆的P3-O3相变,显著提高了材料结构循环稳定性,从而大幅度的改善了材料的电化学性能。而且当正极与硬碳负极匹配全电池时,也表现出了极好的电化学兼容性。本工作提出的双功能设计策略为层状正极材料物理化学性质的调制提供了借鉴,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提供了新的思路,同时为推进钠离子电池实用化奠定了坚实的基础。

 

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803765

作者简介:
郭孝东:四川大学化学工程学院副教授。师从四川大学杰出教授钟本和教授,毕业留校后逐渐转向新能源领域,在锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等领域获得一系列研究成果。近三年先后在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Sciednce等国际著名刊物发表B级/影响因子5.0以上论文30篇。研究工作获得国家自然科学基金面上项目&青年项目、十三五重大专项、四川大学优秀青年基金等十多项经费支持。同时积极推进研究成果的产业化应用,开发的相关应用技术获得授权发明专利十余项。
肖遥:四川大学化学工程学院在读博士,2016年免试攻读博士主要研究方向层状/隧道结构锂/钠电池材料。以第一作者发表SCI论文4篇,其中影响因子超过20的两篇。

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