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麦立强通过飞驰球磨机制备-证明了非晶相含量与储钠容量之间的关系

发布时间:2021-11-01浏览:129次

钠离子电池由于因储量丰富易于获取,作为锂离子电池的替代品备受关注。NaFePO4因拥有高理论容量、低成本、高结构稳定性等优势然而,理论和实验证明,热力学稳定NaFePO4作钠离子电池正极时是电化学惰性的。如何利用热力学稳定磷铁钠矿NaFePO4是本领域亟待突破的重要科学和技术问题。

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【研究过程】

武汉理工大学材料学科麦立强教授及硅酸盐国家重点实验室陶海征团队通过高能球磨,制备了具有不同非晶相含量的系列NaFePO4复合材料,证明了非晶相含量与储钠容量之间的关系;

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↑ 此图为FRITSCH制作的实验过程示意图

麦立强教授使用高能行星式球磨机制备并不断优化复合材料的性能,在800rpm高转速下,将NaFePO4复合材料与1.5ml异丙醇共混球磨5-25小时,以观察不同球磨时间达到的优化效果。从SEM照片不难看出,绝大多数NaFePO4复合材料已被研磨至100nm以下。

优化后的NaFePO4复合材料表现出优异的循环稳定性,在1 C倍率下容量约115 mAh/g, 循环800次后容量保持率为91.3%;结合同步辐射、拉曼散射等技术方法,揭示了无序工程提升储钠性能的原子尺度结构起源,提供了一种改善电池性能的新途径,同时也为电池的研究开辟了一个新的研究方向。

【研究成果】

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(a) 晶态磷铁钠矿NaFePO4和球磨不同时间的NaFePO4在1 C(155 mA g-1)倍率下的循环性能。

(b) 球磨15小时的NaFePO4对应的充放电曲线;

(c) 球磨15小时的NaFePO4的循环性能.

(d) 球磨15小时的NaFePO4的倍率性能


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(a-c) FESEM 图像:球磨5小时的NaFePO4(b),和球磨15小时的NaFePO4(c) 

(d) 球磨15小时NaFePO4的TEM图像; 

(e-g) HRTEM图像:晶态磷铁钠矿NaFePO4(e),球磨5小时的NaFePO4(f)和球磨15小时的NaFePO4(g)

(h) 球磨15小时的NaFePO4HAADF图像和EDS元素分布图。


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球磨不同程度后NaFePO4的相变


【小结】

通过调控球磨参数制备了具有不同非晶相含量NaFePO4同质多相复合材料,并证明了非晶相含量与储钠容量之间的关系。优化后的NaFePO4展现出优异的循环稳定性,在1C倍率下容量约115mAh/g, 循环800次后容量保持率91.3%。这可以归因于非晶相与晶相的协同效应,即活性的非晶相有利于实现高的储钠容量,而非活性的晶相能够增强结构稳定性。

此外,揭示了该材料中无序工程提升储钠性能的原子尺度结构起源,即非晶化过程中共边的[FeO6]八面体向共顶或共边[FeOn]多面体的转变是获得高储钠性能的关键。作者通过系统表征发现了无序工程提升NaFePO4电化学性能的原子尺度机制,该工作为通过无序工程开发新的电极材料具有重要指导意义。


论文第一作者是陶海征教授、麦立强教授和岳远征教授指导的博士生熊方宇,陶海征教授和岳远征教授是通讯作者,近日以“Revealing the atomistic origin of the disorder-enhancedNa-storage performance in NaFePO4 battery cathode"为题目发表在Nano Energy上。



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