Small Methods: 有机交联剂制备3D多孔骨架支撑的高倍率Na3V2(PO4)3/C钠电正极复合材料

钠离子电池(SIBs)凭借丰富的钠资源优势,在降低电池体系成本、促进大规模储能方面具有很大利用前景。它的正极材料受限于以脱嵌为主的存储机制、有限的钠离子脱嵌数量和繁重的元素组成,总体呈现出相对于负极材料而言较低的理论比容量,因而成为限制SIBs发展的关键部分之一。在众多被研究的正极材料中,NASCION型Na3V2(PO4)3(NVP)具有较高的能量密度(≈ 380 Wh Kg-1)和开放的3D扩散通道,能够满足安全、长寿命、结构稳定等多种需求,因而成为最受欢迎的钠电正极材料之一。然而,它较差的本征电子导电率往往导致不理想的倍率性能,因而成为影响其发展应用的主要问题。

近日,四川大学新能源材料与器件课题组郭孝东副教授团队和澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授课题组合作,报道了一种由溶胶凝胶法制得的3D多孔碳骨架支撑的Na3V2(PO4)3/C复合材料。这种复合材料借助于有机柠檬酸碳源的酯化交联作用,为金属离子提供既可附着又可顺势延展的凝胶碳网络。凝胶空隙中的水分和有机碳源分解的CO2逸出形成分级多孔交联骨架,高温煅烧促使NVP纳米颗粒分别在碳骨架和多孔壁上形成。这种多孔骨架结构有诸多优势:1)控制NVP纳米颗粒的团聚长大,2)为NVP活性颗粒提供连续、可导电的3D碳网络,3)将活性物质直接暴露在电解液中,增加与电解液接触面积,大大缩短Na+的扩散距离。此外,还发现在纳米尺度上NVP颗粒与颗粒之间形成介孔交联现象,这为Na+提供了非常优异、充分的扩散性能。材料最终表现出优异的倍率性能,在192C可输出78 mA h g−1的比容量,相当于初始容量的76.9%。此外,循环性能也很优异,在1C和10C循环800周和2000周,分别具有98.4%和91.4%的保持率。

本工作以题为“Organic Cross-Linker Enabling a 3D Porous Skeleton-Supported Na3V2(PO4)3/Carbon Composite for High Power Sodium-Ion Battery Cathode”发表在Wiley旗下的旗舰期刊Small MethodsDOI: 10.1002/smtd.201800169)上。