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。
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!
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。
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图2 FBO@C电极的原位XRD表征及TEM图像
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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。
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!
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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