中南大學梁叔全&曹鑫鑫Nano Energy：通過多價陰離子置換解鎖氟磷酸鹽正極中快速且穩健的儲鈉性能

景行 1周前 (06-28) 323瀏覽

一、 【導讀】?

聚陰離子型Na3V2(PO4)2O2F（NVPOF）因其高工作電壓、高容量和鈉超離子導體（NASICON）框架，被廣泛認為是一種具有廣泛應用前景的可持續鈉離子電池（SIBs）正極材料。然而，其固有的低電子導電性導致的低倍率性能和壽命問題嚴重阻礙了其電化學性能。

二、【成果掠影】

近日，中南大學梁叔全教授和曹鑫鑫副教授團隊通過SiO44-取代NVPOF中的PO43-，在NVPOF中獲得了非凡的Na+儲存性能。理論計算和實驗分析結果表明，這種陰離子置換策略可以優化電子導電性，并拓寬離子傳輸通道，獲得更快的荷質擴散動力學。同時，SiO44-的引入增強了材料的晶體結構，可支撐高度可逆的雙電子反應，并提高平均放電電壓和能量密度。因此，NVPOFSi0.05正極表現出優異的倍率性能（30 C時為75.5 mA h g-1），在長循環下（10 C，1000次循環）幾乎沒有產生容量損失。NVPOFSi0.05正極和商業硬碳負極組裝的鈉離子全電池具有高能量密度（280 W h kg-1）和優異的長循環性能（5 C下300次循環后保持92.3%的容量）。這種陰離子摻雜策略為開發先進的SIB正極材料提供了新的思路。

相關研究文章以“Unlocking Rapid and Robust Sodium Storage of Fluorophosphate Cathode via Multivalent Anion Substitution”為題發表在Nano Energy上。

?三、【核心創新點】

  1. 本文通過多價陰離子置換的獨特策略構建了高性能鈉離子電池正極材料（NVPOFSi05）。
  2. NVPOFSi05全電池具有出色的倍率性能（15 C時為91.2 mA h g-1）和優異的循環性能（5 C下300次循環后容量保持率為92.3%）。

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?四、【數據概覽】

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圖1 (a)NVPOF的晶體結構。(b) NVPOF和(c) NVPOFSi0.05材料的XRD和Rietveld精修結果。(d) NVPOFSi0.05材料的SEM圖像，(e) TEM圖像，(f) HRTEM圖像和(g) HAADF-STEM圖像及相應的元素能譜。? 2023 Elsevier

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圖2 (a) NVPOF和NVPOFSi0.05在0.1 mV/s掃描速率下的CV曲線。(b) NVPOFSix的倍率性能。(c) NVPOFSi0.05在不同電流密度下的GCD曲線。(d) NVPOF和NVPOFSi0.05在不同電流密度下的放電中壓(Vm)，(e) 0.5 C下的GCD曲線，(f) 在1 C下的循環性能。NVPOFSi0.05在(g) 0.5 C和(h) 10 C下的循環性能。? 2023 Elsevier

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圖3 (a) NVPOF和(c)NVPOFSi0.05的原位XRD。(b) NVPOF和(d)NVPOFSi0.05的（002）晶面的d間距和衍射峰位置變化。(e)是NVPOFSi0.05的高分辨率V 2p光譜圖。(f) NVPOF和NVPOFSi0.05的GITT曲線和相應的Na+擴散系數。? 2023 Elsevier

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圖4 (a) NVPOF和(d) NVPOFSix 的態密度，(b) NVPOF 和 (e) NVPOFSix的優化的晶體結構。(c) NVPOF 和 (f) NVPOFSix的局部電荷密度分布。? 2023 Elsevier

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圖5 (a) NVPOFSi0.05//HC的GCD曲線以及NVPOFSi0.05和HC電極的半電池GCD曲線。插圖為NVPOFSi0.05//HC的充放電示意圖。NVPOF//HC和NVPOFSi0.05//HC的 (b) 倍率性能和 (d) 能量密度與Vm。(c) NVPOFSi0.05//HC在不同倍率下的GCD曲線。(e) NVPOF//HC和NVPOFSi0.05//HC的能量密度與功率密度。NVPOFSi0.05//HC在(f) 1C和(g) 5C下的循環性能。? 2023 Elsevier

 

五、【成果啟示】

本文通過多價陰離子置換的獨特策略，采用簡單的水熱方法得到NVPOFSi0.05鈉離子電池正極材料。NVPOFSi0.05正極具有出色的倍率性能（30 C，75.5 mA h g-1）和循環穩定性，在10 C下循環1000次幾乎沒有衰減。同時，NVPOFSi0.05//HC鈉離子全電池具有優異的倍率性能（15 C時為91.2 mA h g-1）和循環表現，在5C下300次循環后保持92.3％的容量。該文章提出了一種關于實現高能量密度和長壽命SIBs的新穎思路。

 

原文詳情：Huang Zhou, Zhitao Cao, Yifan Zhou, Jiangxu Li, Zhaohong Ling, Guozhao Fang, Shuquan Liang*, Xinxin Cao*. Unlocking Rapid and Robust Sodium Storage of Fluorophosphate Cathode via Multivalent Anion Substitution. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108604

 

本文由景行撰稿

 

 

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