氮掺杂碳包覆电极材料改善钠离子电池的电化学性能

Untitled钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似,主要依靠钠离子在正极材料和负极材料中的嵌入和脱嵌来实现电荷能量的转移。在众多的钠离子电池正极材料中,具有NASICON结构的磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3)在学术界越来越得到广泛的关注。Na3V2(PO4)3作为钠离子电池正极领域的一个明星材料,具有倍率性好、热稳定性好和廉价等诸多优点。然而,由自身晶体结构决定的电子绝缘,严重的限制了Na3V2(PO4)3的循环稳定性。

 上海电力学院刘海梅教授课题组针对这一问题,进行了深入而细致的研究,提出采用氮掺杂碳包覆的修饰方式,显著地提升了Na3V2(PO4)3正极材料的高倍率和循环性能,并且针对不同氮掺杂的类型对于Na3V2(PO4)3电化学性能的影响进行了深入而详细的论述。相关结果发表在Advanced Energy Materials上

 在当前提升Na3V2(PO4)3材料电化学性能的各类方法中,碳包覆被认为是最有效的方法之一。然而,在形成Na3V2(PO4)3纯相的烧结温度下,通过高温碳化生成的碳材料通常为电导率较低的无定形态,很难大幅提高Na3V2(PO4)3的倍率性能和循环性能。为了更好的解决这一问题,该团队在Na3V2(PO4)3颗粒表面包覆上厚度为5纳米左右的均匀碳层,并且通过在碳层中引入不同含量的氮,制备出具有不同氮含量的碳包覆的Na3V2(PO4)3。在不同氮含量的样品中,各种类型氮的比例也不同,并且不同类型的氮在提高Na3V2(PO4)3性能方面扮演着不同的角色。石墨氮由于不能使碳层产生缺陷,只能提高碳层的电子导电性,而吡啶氮和吡咯氮能够破坏碳层有序的空间结构,产生缺陷,因此不仅能提高碳层的电子导电性,还能提高钠离子的扩散速度,从而提高Na3V2(PO4)3的循环性和倍率性能。通过扣式电池测试表明,具有最低石墨氮含量的样品,其电化学性能最好,5C时,首次放电比容量能够达到74.5 mAh-1,100次循环之后容量保持率能够达到93%。该工作中设计的氮掺杂碳包覆的方式,不但可以作为一种的普适方法,在改善其他材料电化学性能方面得到广泛的研究和应用,而且有望促进具有优异高倍率和循环性的钠离子电池的发展。

该项研究得到了国家自然科学基金委和教育部“新世纪优秀人才支持计划”的资助。

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