具有优异倍率、循环性能的矿物质Na0.67FePO4/CNT纳米仙人球钠电正极材料

Untitled在设计大规模能量存储系统时,对于化学能量存储设备来说有两个关键的问题就是价格问题和安全性。相比于锂离子电池,钠离子电池在大规模能量存储体系领域内为其大规模应用提供了一个更好的解决方案,因为Na源是目前自然界最为丰富的自然资源之一,它能够提供更高的经济性。然而,由于其更大的离子半径尺寸,钠离子相比于锂离子最大的问题是它往往表现出更差的动力学性能。因此,寻找一种在动力学方面占优的新型正极材料仍然是发展钠离子电池的一大挑战。在众多的候选材料中,铁基聚阴离子正极材料,如NaFePO4,因其本身具有的开框架结构,环境友好性,丰富的来源而受到了广泛关注。中国科学技术大学国家同步辐射实验室吴自玉教授、储旺盛副教授与北京大学工学院夏定国教授合作针对这一问题进行了深入而细致的研究,在结合同步辐射等先进技术研究类似矿物质结构的同时,设计合成了一种全新的磷锰钠石族Na0.67FePO4矿物质以用作新一代钠离子电池的电极材料,这种材料显著的提升了正极材料的循环、倍率性能。相关工作在线发表在Small上。

这种采用传统溶剂热方法来合成出来的全新单分散磷锰钠石族Na0.67FePO4纳米仙人球具有由无数纳米棒自组装形成的一个三维开框架结构。这种独特的纳米仙人球的形貌为它作为电池电极材料提供了三个以上的重要优势:1能够为比Li+离子半径更大的Na+迁移提供更大的空间;2能够通过它那直径约为20nm的一次颗粒-纳米棒而大大的缩短钠离子和电子迁移的路径;3为电极和电解液充分接触提供更大的比表面积。进一步的电化学性能测试也表明这种蓬松的Na0.67FePO4纳米仙人球能够表现出高达138 mAh/g的高放电容量。而且,当将这种材料与碳纳米管进行复合后,它们的杂化物Na0.67FePO4/CNT能够释放更高的放电容量,约143 mAh/g,同时还有超级稳定的循环稳定性,在5 mA/g的电流密度下循环50圈后容量基本保持不变。利用同步辐射辐射X射线吸收谱学方法对这种增强机理进行了深入的分析,结果表明Na0.67FePO4纳米仙人球能够具有如此好的电化学性能不仅与它本身的开框架结构有关,更为重要的是,这种独特的蓬松纳米仙人球形貌为其提供了条件。

相关工作得到了国家科技部973计划和国家自然科学基金项目的资助。