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研究背景

近年來，由于地殼中含有豐富的鈉以及與商業(yè)化鋰離子電池（LIB）類似的工作原理，鈉離子電池（SIB）在大規(guī)模儲(chǔ)能方面受到了極大的關(guān)注。目前已有多種正極材料，如層狀過渡金屬氧化物、普魯士藍(lán)、聚陰離子材料等，具有工作電壓高、成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但是找到合適的負(fù)極材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。軟碳、硬碳或合金等鈉離子電池負(fù)極材料存在比容量低、倍率性能差、成本高等問題。各種過渡金屬氧化物材料均具有高比容量和合適的工作電位，但大體積變化和不穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

成果簡(jiǎn)介

近日，復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授、Yao Liu博士等人采用簡(jiǎn)單的溶膠-凝膠法結(jié)合化學(xué)氣相沉積法（CVD）合成了一種超薄碳層包覆的Fe₃BO₅（FBO）納米顆粒，以作為SIB的負(fù)極材料。研究顯示，碳包覆Fe₃BO₅（FBO@C）復(fù)合材料在SIB中具有增強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。此外，這種負(fù)極可以在全氣候溫度范圍內(nèi)（-40至60°C）較好地工作。相關(guān)成果以題為“All-Climate Iron-Based Sodium-Ion Full Cell for Energy Storage”發(fā)表在Adv. Funct. Mater.上。

圖文導(dǎo)讀

要點(diǎn)1

作為負(fù)極材料，F(xiàn)BO@C在50 mA g^-1的電流密度下表現(xiàn)出548 mAh g^-1的可逆比容量和72.6%的高初始庫(kù)侖效率，并在 2000 mA g^-1下循環(huán)1000次后具有99% 的容量保持率。此外，F(xiàn)BO@C負(fù)極可在寬溫度范圍內(nèi)工作，分別在-40、-20、-10、0、25、50 和 60 °C 下表現(xiàn)出292、398.4、456.7、490、548.1、564.5 和 582.3 mAh g^-1的可逆比容量。

復(fù)旦夏永姚教授等AFM：-40至60°C全氣候下工作的全鐵基鈉離子電池！

圖1. 半電池性能

要點(diǎn)2

出色的電化學(xué)性能源于轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制，這會(huì)導(dǎo)致形成無定形中間產(chǎn)物，非晶結(jié)構(gòu)具有更大的晶格空間和更低的鈉離子擴(kuò)散勢(shì)壘，可以為SIB提供更短的遷移路徑和更高的鈉離子擴(kuò)散系數(shù)。

圖2. FBO@C電極的原位XRD表征及TEM圖像

圖3. FBO@C電極的非原位XPS表征

要點(diǎn)3

采用這種負(fù)極與鐵基正極 (Na₃Fe₂ (PO₄)₂(P₂O₇)@rGO)的鈉離子全電池可在-40至 60 °C的寬溫度范圍內(nèi)工作，其最大能量密度為 175 Wh kg^-1，最大功率密度為 1160 W kg^-1，相較于先前報(bào)道的其他鈉離子全電池，具有競(jìng)爭(zhēng)性能量密度。最重要的是，由于其負(fù)極和正極均采用廉價(jià)的鐵基原材料，這種全電池配置具有較低的成本。

圖4. 全鐵基鈉離子全電池的性能

這是首次報(bào)道的低成本、環(huán)境友好且在寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行良好的全鐵基鈉離子全電池（鐵基負(fù)極和鐵基正極）。這些結(jié)果證明了一種新的鈉離子電池系統(tǒng)，它有望在未來應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能。

文獻(xiàn)信息

All-Climate Iron-Based Sodium-Ion Full Cell for Energy Storage. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202102856

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/15/c610dff6d5/

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