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研究提出颗粒细化诱导提高钠/锂离子电池循环容量的新机制

2021-09-28 大连化学物理研究所
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  近日,中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋、副研究员郑琼团队和燕山大学教授唐永福团队合作,在钠/锂离子电池电极储能机理研究方面取得进展。近年来,钠离子电池研究得到广泛关注,获得快速发展。研究发现,具有较高Na+储存性能和循环稳定性的电极材料,对于提高钠离子电池的能量密度和倍率性能十分重要。

  该工作中,科研人员设计了珊瑚状的FeP复合材料,该材料可锚定FeP纳米颗粒,并将其均匀分散在氮(N)掺杂的三维(3D)碳骨架(FeP@NC)上。珊瑚状FeP@NC复合材料具有较短的电荷转移路径和较高的导电氮掺杂碳网络,可显著改善复合材料的电荷转移动力学。此外,由于FeP纳米颗粒周围具有高度连续的N掺杂碳骨架和弹性缓冲的石墨化碳层,基于FeP@NC复合材料的钠离子电池(SIB)表现出优异的倍率性能和循环性能,在10A/g下经10000次循环后其容量保持率为82.0%。

  关于循环过程中电池容量逐渐上升的现象,科研人员结合电化学研究和原位电镜表征分析,证实了一种颗粒细化在循环过程中提高容量的作用机制,这种容量提升效果在小电流下更显著。研究表明,均匀分布在氮掺杂碳基体上的FeP纳米颗粒,在第一个循环中经历了细化-复合过程,经过数次循环后呈现出全区域细化的趋势,该细化对周围的非晶碳产生较强的吸附作用,引起复合材料石墨化度和界面磁化强度逐渐增加,为Na+的存储提供了更多的额外活性中心,进而提高了循环容量。该容量提升机制也可扩展到锂离子电池(LIBs)。研究发现,在10A/g下,经5000次循环后,基于FeP@NC复合材料的LIBs的容量保持率为90.3%,超过了已报道的FeP基复合材料的容量保持率。

  该研究提出了在循环过程中经颗粒细化诱导提高电池容量的新策略,为设计高性能的SIBs/LIBS负极材料提供了新思路。相关研究成果以A Coral-Like FeP@NC Anode with Increasing Cycle Capacity for Sodium-Ion and Lithium-Ion Batteries Induced by Particle-Refinement为题,发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等的资助。

  论文链接

颗粒细化诱导提高钠离子电池循环容量的机理示意图

打印 责任编辑:阎芳

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