钠离子电池负极材料新探索:基于氮掺杂[email protected] 薄膜一体化电极的高性能储钠机制

目前开发的各种储能设备中,钠离子电池以其资源丰富,价格低廉而受到广泛关注。然而,钠离子电池的长足发展受到其负极材料的限制,主要存在的问题是:较大的离子半径(R=0.102 nm)和原子质量(M=22.99 g mol−1)导致钠离子脱/嵌动力学缓慢,扩散能垒显著提高,从而引起钠离子电池的循环寿命和倍率性能较差。因此开发具有高倍率性能和长循环稳定性的新型钠离子电池负极材料势在必行。

作为尖晶石型双金属氧化物的重要一员,CuCo2O4 因其价格低廉,并具有钠离子嵌入与脱出的合适空位等特性,使其成为理想的钠离子电池负极材料。一般来说,金属氧化物负极材料通常伴随着体积膨胀严重,导电性差,利用率低以及活性材料容易在集流体上脱落等问题。通常的解决思路是将其纳米化,并与碳材料相复合,制备不需添加粘结剂的一体化电极。众多实验及理论计算结果表明,氮原子掺杂不仅可以提高材料的导电性,而且吡啶氮和吡咯氮还可以为钠离子提供更多活性位点以及传输通道。

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近期,南开大学焦丽芳课题组通过静电纺丝技术设计并制备了氮掺杂CuCo2O4@C薄膜,并将其作为钠离子电池一体化负极材料。该电池展现了优良的倍率性能(在5000 mA g−1的大电流密度下,仍然有296 mA h g−1的可逆容量)和良好的循环稳定性(在1000 mA g−1的电流密度下,循环1000周之后仍保留314 mA h g−1的容量)。作者将如此优异的电化学性能归因于以下优势:

(1) 氮掺杂的碳基质不仅可以在一定程度上抑制金属氧化物的体积膨胀,而且有效增强其复合材料的导电性。

(2) 超小的CuCo2O4纳米粒子显著提高材料的利用率,使其实际比容量增加。

(3) 一体化电极可有效阻止因材料在集流体上脱落而造成的容量衰减。

本工作为可控制备一维碳纳米纤维与金属氧化物复合材料,开发探索双金属氧化物钠离子电池负极材料提供了崭新的思路。相关研究成果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201700873)上。

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