近期，中科院合肥研究院固體所功能材料物理與器件研究部趙邦傳研究員課題組在聚陰離子型材料Na3V2(PO4)3鈉電性能研究方面取得新進(jìn)展。科研人員通過(guò)結(jié)晶度調(diào)控，有效激活了Na3V2(PO4)3中的非活性M1位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)鈉離子的可逆脫嵌，極大提升了材料的比容量。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國(guó)際期刊 Advanced Science 上。
近年來(lái)，隨著鋰離子電池在人們生產(chǎn)生活多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，鋰資源的價(jià)格不斷攀升，這嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。和鋰離子電池相比，鈉離子電池具有很大的資源和成本優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)儲(chǔ)能電池最為重要的發(fā)展方向。發(fā)展高性能電極材料，提升鈉離子電池的能量密度、功率密度及循環(huán)壽命，是實(shí)現(xiàn)鈉離子電池實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
作為一種主流的鈉離子電池正極材料，聚陰離子型鈉超離子導(dǎo)體Na3V2(PO4)3具有穩(wěn)定開(kāi)放的三維離子通道，且陰離子單元間存在強(qiáng)共價(jià)鍵作用，有著非常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。但Na3V2(PO4)3也存在一些亟待解決的問(wèn)題，如電子電導(dǎo)率不高、倍率性能和比容量不太理想等，特別是其結(jié)構(gòu)中的1/3儲(chǔ)鈉位點(diǎn)（M1位點(diǎn)）沒(méi)有活性，只有兩個(gè)鈉離子可以參與電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其理論比容量較低，僅為 117.6 mAh g-1。能否激活這1/3儲(chǔ)鈉位點(diǎn)，通過(guò)增加可參與電化學(xué)反應(yīng)的鈉離子數(shù)目來(lái)提高 Na3V2(PO4)3的比容量是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
基于此，科研人員通過(guò)調(diào)控材料結(jié)晶度的方案來(lái)對(duì)Na3V2(PO4)3材料進(jìn)行改性研究，利用靜電噴霧沉積法在泡沫碳襯底上制備了一種納米晶和無(wú)定形相共存的Na3V2(PO4)3材料。研究結(jié)果表明，這種納米晶和無(wú)定形相共存的無(wú)序結(jié)構(gòu)可以有效激活M1位點(diǎn)的鈉離子，使V5+/V4+氧化還原對(duì)參與到電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，在Na3V2(PO4)3 中實(shí)現(xiàn)三個(gè)鈉離子的可逆嵌入脫出，極大提升了材料的比容量。在 0.2 C 的電流密度下，所獲材料的比容量可達(dá)179.6 mAh g-1，比通常Na3V2(PO4)3材料提升了近50%。同時(shí)，該材料在0.2 C倍率下循環(huán) 200 圈，容量保持率高達(dá) 99.6%，兼顧了大容量與穩(wěn)定循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。此外，在這種納米晶和無(wú)定形相共存的Na3V2(PO4)3材料中，研究人員還觀察到一種較為奇特的非本征贗電容現(xiàn)象，表現(xiàn)為充放電曲線中平臺(tái)的消失和CV曲線的矩形化，這主要是由于無(wú)序結(jié)構(gòu)的引入改變了Na3V2(PO4)3材料中鈉離子之間的相互作用，使得充放電過(guò)程由原本的兩相轉(zhuǎn)變變?yōu)閱蜗噢D(zhuǎn)變。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院合肥大科學(xué)中心“高端用戶培育基金”項(xiàng)目的支持。
圖1. 無(wú)序結(jié)構(gòu)Na3V2(PO4)3材料的形貌和結(jié)構(gòu)表征。
圖2. 無(wú)序結(jié)構(gòu)Na3V2(PO4)3材料的電化學(xué)性能表征與分析。
圖3. 無(wú)序結(jié)構(gòu)Na3V2(PO4)3材料非本征贗電容行為分析。
