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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化鋰離子電池（LIB）類似的工作原理，鈉離子電池（SIB）在大規模儲能方面受到了極大的關注。目前已有多種正極材料，如層狀過渡金屬氧化物、普魯士藍、聚陰離子材料等，具有工作電壓高、成本低、循環壽命長等優勢，但是找到合適的負極材料仍然是一個挑戰。軟碳、硬碳或合金等鈉離子電池負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定的電極/電解質界面限制了它們的實際應用。

成果簡介

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

圖文導讀

要點1

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

圖1 半電池性能

要點2

出色的電化學性能源于轉化反應機制，這會導致形成無定形中間產物，非晶結構具有更大的晶格空間和更低的鈉離子擴散勢壘，可以為SIB提供更短的遷移路徑和更高的鈉離子擴散系數。

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3

采用這種負極與鐵基正極 (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，相較于先前報道的其他鈉離子全電池，具有競爭性能量密度。最重要的是，由于其負極和正極均采用廉價的鐵基原材料，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

這是首次報道的低成本、環境友好且在寬溫度范圍內運行良好的全鐵基鈉離子全電池（鐵基負極和鐵基正極）。這些結果證明了一種新的鈉離子電池系統，它有望在未來應用于大規模儲能。

文獻信息

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

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復旦夏永姚教授等AFM：-40至60°C全氣候下工作的全鐵基鈉離子電池！

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