复旦夏永姚教授等AFM：-40至60°C全气候下工作的全铁基钠离子电池！

研究背景

近年来，由于地壳中含有丰富的钠以及与商业化锂离子电池（LIB）类似的工作原理，钠离子电池（SIB）在大规模储能方面受到了极大的关注。目前已有多种正极材料，如层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝、聚阴离子材料等，具有工作电压高、成本低、循环寿命长等优势，但是找到合适的负极材料仍然是一个挑战。软碳、硬碳或合金等钠离子电池负极材料存在比容量低、倍率性能差、成本高等问题。各种过渡金属氧化物材料均具有高比容量和合适的工作电位，但大体积变化和不稳定的电极/电解质界面限制了它们的实际应用。

成果简介

近日，复旦大学夏永姚教授、Yao Liu博士等人采用简单的溶胶-凝胶法结合化学气相沉积法（CVD）合成了一种超薄碳层包覆的Fe₃BO₅（FBO）纳米颗粒，以作为SIB的负极材料。研究显示，碳包覆Fe₃BO₅（FBO@C）复合材料在SIB中具有增强的循环稳定性和倍率性能。此外，这种负极可以在全气候温度范围内（-40至60°C）较好地工作。相关成果以题为“All-Climate Iron-Based Sodium-Ion Full Cell for Energy Storage”发表在Adv. Funct. Mater.上。

图文导读

要点1

作为负极材料，FBO@C在50 mA g^-1的电流密度下表现出548 mAh g^-1的可逆比容量和72.6%的高初始库仑效率，并在 2000 mA g^-1下循环1000次后具有99% 的容量保持率。此外，FBO@C负极可在宽温度范围内工作，分别在-40、-20、-10、0、25、50 和 60 °C 下表现出292、398.4、456.7、490、548.1、564.5 和 582.3 mAh g^-1的可逆比容量。

图1 半电池性能

要点2

出色的电化学性能源于转化反应机制，这会导致形成无定形中间产物，非晶结构具有更大的晶格空间和更低的钠离子扩散势垒，可以为SIB提供更短的迁移路径和更高的钠离子扩散系数。

图2 FBO@C电极的原位XRD表征及TEM图像

图3 FBO@C电极的非原位XPS表征

要点3

采用这种负极与铁基正极 (Na₃Fe₂ (PO₄)₂(P₂O₇)@rGO)的钠离子全电池可在-40至 60 °C的宽温度范围内工作，其最大能量密度为 175 Wh kg^-1，最大功率密度为 1160 W kg^-1，相较于先前报道的其他钠离子全电池，具有竞争性能量密度。最重要的是，由于其负极和正极均采用廉价的铁基原材料，这种全电池配置具有较低的成本。

图4 全铁基钠离子全电池的性能

这是首次报道的低成本、环境友好且在宽温度范围内运行良好的全铁基钠离子全电池（铁基负极和铁基正极）。这些结果证明了一种新的钠离子电池系统，它有望在未来应用于大规模储能。

文献信息

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

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复旦夏永姚教授等AFM：-40至60°C全气候下工作的全铁基钠离子电池！

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