超长循环寿命的钠离子电池正极材料:双碳层包覆的磷酸钒钠

在过去的几十年中,锂离子电池已经广泛的被应用在便携式电子产品中。然而,传统的锂资源比较匮乏而且分布不均衡,所以一直以来科研人员都在试图找到一个更为廉价的、能够替代锂的新材料来制作电池。众所周知,钠的价格低廉且分布广泛,因此发展与锂离子电池具有相似电化学机理,但是价格更为低廉的钠离子电池是未来储能电池的发展方向。在众多的钠离子正极材料中,NASICON结构的磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3)正极材料,因具有结构稳定、电压平台高、热稳定性佳等优点而备受关注。然而,由磷酸钒钠结构导致的低电子电导严重制约着其长循环寿命和快速充放性能(倍率性能)。

最近,中国科学技术大学余彦教授课题组针对这一问题进行了系统的研究,设计了一种“双碳层”结构的Na3V2(PO4)3,显著地提升了Na3V2(PO4)3正极材料的高倍率性能和长循环寿命。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201402104)上

AEnM

该团队通过纳米浇铸方法成功地将碳包覆的Na3V2(PO4)3嵌入3D介孔的碳基体(CMK-3)中。该结构中每个Na3V2(PO4)3纳米粒子外均匀包覆厚度大约~2nm 的“第一层碳”,有效抑制了高温烧结过程中Na3V2(PO4)3纳米粒子的长大,从而缩短了充放电过程中Na离子的扩散距离。3D介孔的碳基体(CMK-3)作为“第二层碳”,形成纳米的三维导电网络,不但可以有效抑制材料充放电过程中的体积变化、防止其团聚,还可以高速输送钠离子和电子到每个活性纳米颗粒表面。这两层碳具有不同的结构和性质,能够协同作用,从而真正发挥纳米结构电极材料的动力学优势,实现长循环寿命和高倍率性能的Na3V2(PO4)3正极材料。电池材料的测试表明:10C放电电流密度下,1000次循环后,可逆容量达到论容量的77%(90 mAhg-1); 在5C的电流密度下,2000次循环后其放电容量还可保持78 mAhg-1

这种新型的“双层碳”包覆的设计方案不但具有简单、方便、有效等特点,而且可以作为一种的普适方法,拓展至其他电极材料的电化学性能改善,有望促进具有快速充放和长循环寿命储能电池的发展。

上述工作得到了中组部“青年千人计划”、自然基金委、新世纪优秀人才计划、中国科学技术大学创新团队培育基金、中央高校基本科研业务费专项资金资助以及苏州纳米科技协同创新中心的大力支持。