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研究提出顆粒細化誘導提高鈉/鋰離子電池循環容量的新機制

2021-09-28 大連化學物理研究所
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  近日,中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員李先鋒、副研究員鄭瓊團隊和燕山大學教授唐永福團隊合作,在鈉/鋰離子電池電極儲能機理研究方面取得進展。近年來,鈉離子電池研究得到廣泛關注,獲得快速發展。研究發現,具有較高Na+儲存性能和循環穩定性的電極材料,對于提高鈉離子電池的能量密度和倍率性能十分重要。

  該工作中,科研人員設計了珊瑚狀的FeP復合材料,該材料可錨定FeP納米顆粒,并將其均勻分散在氮(N)摻雜的三維(3D)碳骨架(FeP@NC)上。珊瑚狀FeP@NC復合材料具有較短的電荷轉移路徑和較高的導電氮摻雜碳網絡,可顯著改善復合材料的電荷轉移動力學。此外,由于FeP納米顆粒周圍具有高度連續的N摻雜碳骨架和彈性緩沖的石墨化碳層,基于FeP@NC復合材料的鈉離子電池(SIB)表現出優異的倍率性能和循環性能,在10A/g下經10000次循環后其容量保持率為82.0%。

  關于循環過程中電池容量逐漸上升的現象,科研人員結合電化學研究和原位電鏡表征分析,證實了一種顆粒細化在循環過程中提高容量的作用機制,這種容量提升效果在小電流下更顯著。研究表明,均勻分布在氮摻雜碳基體上的FeP納米顆粒,在第一個循環中經歷了細化-復合過程,經過數次循環后呈現出全區域細化的趨勢,該細化對周圍的非晶碳產生較強的吸附作用,引起復合材料石墨化度和界面磁化強度逐漸增加,為Na+的存儲提供了更多的額外活性中心,進而提高了循環容量。該容量提升機制也可擴展到鋰離子電池(LIBs)。研究發現,在10A/g下,經5000次循環后,基于FeP@NC復合材料的LIBs的容量保持率為90.3%,超過了已報道的FeP基復合材料的容量保持率。

  該研究提出了在循環過程中經顆粒細化誘導提高電池容量的新策略,為設計高性能的SIBs/LIBS負極材料提供了新思路。相關研究成果以A Coral-Like FeP@NC Anode with Increasing Cycle Capacity for Sodium-Ion and Lithium-Ion Batteries Induced by Particle-Refinement為題,發表在《德國應用化學》上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創新促進會等的資助。

  論文鏈接

顆粒細化誘導提高鈉離子電池循環容量的機理示意圖

打印 責任編輯:閻芳

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