三维多孔结构磷酸钒钠正极材料

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        相比于锂离子电池,钠离子电池由于钠资源丰富、成本低廉等优点,有望在大规模电化学储能领域(如电动汽车、智能电网等)得到广泛应用。在众多的钠离子电池正极材料中,NASICON结构的磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3)正极材料,由于其结构稳定、工作电压高、热稳定性好等优点而倍受青睐。然而,该材料的电子电导率较低,限制了它的电化学性能。

        针对这一问题,新加坡南洋理工大学颜清宇(Yan Qingyu)教授、Eileen Fong教授、中国科学技术大学余彦教授、安徽工业大学芮先宏教授及其研究团队合作,通过生物化学法和冷冻干燥法设计构筑了三维多孔Na3V2(PO4)3@C/CAs和Na3V2(PO4)3@C@rGO复合正极材料,显著提高了材料的导电性以及电化学特性。Na3V2(PO4)3@C/CAs是由纳米纤维相互交织而构成的三维多孔泡沫结构,且每根纳米纤维镶嵌着许多碳包覆的Na3V2(PO4)3颗粒(100-200 nm)。三维多孔Na3V2(PO4)3@C@rGO复合材料的特征是50-200 nm碳包覆(厚度约5 nm)的Na3V2(PO4)3颗粒均匀嵌入在石墨烯基体中。这两种独特的三维多孔结构不仅为钠离子和电子的存储、传输提供了有效的空间和路径,还可以有效地抑制电极材料充放电过程中的体积变化、防止其团聚,最终减少了电极材料极化和电池内阻,最终可以大大提高材料的循环稳定性和倍率性能。例如,电化学性能测试表明:Na3V2(PO4)3@C@rGO复合材料在低倍率下的可逆容量接近其理论容量(118 mA h g-1)且在循环过程中几乎没有容量衰减;在大倍率100 C下,可逆容量仍然能够达到86 mA h g-1且经过10000次循环之后维持在55 mA h g-1左右。相关结果发表在ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.5b00932)和Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201502864)上。

        三维多孔结构磷酸钒钠表现出的长循环寿命和快速充放电性能,具有广泛的应用前景。该工作也为今后高性能钠离子电池电极材料的设计构筑提供了一种新的思路。

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