Small Methods: 高倍率长寿命钠离子电池Na3Fe2(PO4)P2O7/rGO正极的绿色规模化合成

受LiFePO4在锂离子电池中成功应用的激励,研究人员一直在寻找可用于钠离子电池的磷酸铁钠电极。然而,橄榄石结构的NaFePO4只能通过非常规的合成方法获得。在磷酸铁钠结构中引入新的阴离子可提高聚阴离子型化合物的结构稳定性,目前已报道的铁基混合聚阴离子正极包括Na2FePO4F、Na3Fe2(PO4)2F3、Na4Fe3(PO4)2P2O7、Na3FePO4CO3、NaFe2PO4(SO4)2等。

虽然铁基混合聚阴离子型储钠正极在寿命、安全性和环境友好性方面具有独特优势,但目前所报道的合成方法均不具备放大性。例如在Xia 等人的工作中(ACS Energy Lett. 2020, 5, 3788),Na3Fe2(PO4)P2O7正极的合成所使用的原料含有较多无用的阴离子和阳离子,如NO3、C2O42−、CH3COO、NH4+等,该合成工艺不仅增加了原材料和后处理的成本,而且会导致NOx和NH3等污染物的排放。钠离子电池的能量密度不及锂离子电池,若期望在储能电池市场占据一席之地,必须进一步降低其制造成本。具体而言,亟需开发低成本的电极材料并实现简单经济的放大生产。

针对以上问题,武汉大学陈重学副教授和曹余良教授团队报道了一种绿色且易放大的合成方法,以 FePO4和 Na3PO4和GO为原料,通过砂磨、喷雾干燥、煅烧的连续步骤获得Na3Fe2(PO4)P2O7的合成工艺,该技术路线原子经济性高,且易放大生产。目标正极表现出超长的循环寿命(20 C下8000次循环后容量保持率为72.4%)和出色的倍率性能(100 C下为42.4 mAh•g−1)。特别是,由Na3Fe2(PO4)P2O7/rGO正极和硬碳负极组装而成的NFPP/rGO-HC全电池表现出192 Wh•kg−1 的能量密度和优异的循环性能(500次循环后容量保持率为85.2%)。该工作由陈重学副教授课题组硕士研究生汪慧明和博士研究生董重瑞共同完成。

相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省重点研发计划、湖北省自然科学基金和武汉大学人才计划科研启动经费的资助。

论文信息:

A Green and Scalable Synthesis of Na3Fe2(PO4)P2O7/rGO Cathode for High-Rate and Long-Life Sodium-Ion Batteries

Huiming Wang, Zibing Pan, Haotian Zhang, Chongrui Dong, Yan Ding, Yuliang Cao*, Zhongxue Chen*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100372

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100372