非晶锡基氧化物:高倍率超长寿命钠离子电池负极材料

随着化石燃料日益消耗殆尽,如何利用可再生资源如风能和太阳能等成为人们亟待解决的问题。尽管这种新能源在本质上是可持续的,但电力供给的可靠性仍在技术上面临巨大挑战。到目前为止,发展充电电池是一个较为可行的解决方案。钠离子电池由于资源丰富、价格低廉,被人们寄予厚望。研发比容量高、稳定性好、循环寿命长的钠离子电池负极材料成为科学研究的重点和难点。

合金材料如锡、锑等由于比容量高、工作电压低,在诸多负极材料中被认为是较有潜力的材料。然而由于巨大的体积变化,电极容易破碎粉化,因此循环寿命难以长久。另一方面,钠离子在材料中的迁移速率直接影响了材料的倍率性能,成为提升材料快速充放电能力需要解决的另一个问题。

近期,吉林大学杜菲团队设计了一种非晶的锡基氧化物材料。经过简单快速的球磨法,制备的负极材料体现出了非晶材料的典型特点,并且在充放电过程中材料保持了非晶的特性。利用原位生成的Na4P2O7基底作为缓冲,可以一定程度上抑制材料的体积膨胀。另外与石墨烯复合后的材料动力学性质得到显著提高,动力学分析表明随着充放电速率的提高,扩散控制过程逐渐取代表面扩散过程称为主导,赝电容部分贡献的容量所占比重逐步增大。复合材料体现出了超长的循环寿命,2 A g-1电流密度下循环次数达到15000次。进一步分别与Na3V2(PO4)2F3以及Na3V2(PO4)3正极材料匹配,全电池最高功率密度可达9000 W kg-1,并且循环寿命达到了1000次。

本工作不仅为高比容量、长寿命负极材料的设计,也为钠离子全电池的开发提供了参考与借鉴。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201701827)上。

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