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    麥立強通過飛馳球磨機制備-證明了非晶相含量與儲鈉容量之間的關系

    更新時間:2021-11-01     閱讀次數:1867

    鈉離子電池由于因儲量豐富易于獲取,作為鋰離子電池的替代品備受關注。NaFePO4因擁有高理論容量、低成本、高結構穩定性等優勢。然而,理論和實驗證明,熱力學穩定NaFePO4作鈉離子電池正極時是電化學惰性的。如何利用熱力學穩定磷鐵鈉礦NaFePO4是本領域亟待突破的重要科學和技術問題。

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    【研究過程】

    武漢理工大學材料學科麥立強教授及硅酸鹽國家重點實驗室陶海征團隊通過高能球磨,制備了具有不同非晶相含量的系列NaFePO4復合材料,證明了非晶相含量與儲鈉容量之間的關系;

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    ↑ 此圖為FRITSCH制作的實驗過程示意圖

    麥立強教授使用高能行星式球磨機制備并不斷優化復合材料的性能,在800rpm高轉速下,將NaFePO4復合材料與1.5ml異丙醇共混球磨5-25小時,以觀察不同球磨時間達到的優化效果。從SEM照片不難看出,絕大多數NaFePO4復合材料已被研磨至100nm以下。

    優化后的NaFePO4復合材料表現出的循環穩定性,在1 C倍率下容量約115 mAh/g, 循環800次后容量保持率為91.3%;結合同步輻射、拉曼散射等技術方法,揭示了無序工程提升儲鈉性能的原子尺度結構起源,提供了一種改善電池性能的新途徑,同時也為電池的研究開辟了一個新的研究方向。

    【研究成果】

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    (a) 晶態磷鐵鈉礦NaFePO4和球磨不同時間的NaFePO4在1 C(155 mA g-1)倍率下的循環性能。

    (b) 球磨15小時的NaFePO4對應的充放電曲線;

    (c) 球磨15小時的NaFePO4的循環性能.

    (d) 球磨15小時的NaFePO4的倍率性能


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    (a-c) FESEM 圖像:球磨5小時的NaFePO4(b),和球磨15小時的NaFePO4(c); 

    (d) 球磨15小時NaFePO4的TEM圖像; 

    (e-g) HRTEM圖像:晶態磷鐵鈉礦NaFePO4(e),球磨5小時的NaFePO4(f)和球磨15小時的NaFePO4(g);

    (h) 球磨15小時的NaFePO4HAADF圖像和EDS元素分布圖。


    圖片

    球磨不同程度后NaFePO4的相變


    【小結】

    通過調控球磨參數制備了具有不同非晶相含量NaFePO4同質多相復合材料,并證明了非晶相含量與儲鈉容量之間的關系。優化后的NaFePO4展現出的循環穩定性,在1C倍率下容量約115mAh/g, 循環800次后容量保持率91.3%。這可以歸因于非晶相與晶相的協同效應,即活性的非晶相有利于實現高的儲鈉容量,而非活性的晶相能夠增強結構穩定性。

    此外,揭示了該材料中無序工程提升儲鈉性能的原子尺度結構起源,即非晶化過程中共邊的[FeO6]八面體向共頂或共邊[FeOn]多面體的轉變是獲得高儲鈉性能的關鍵。作者通過系統表征發現了無序工程提升NaFePO4電化學性能的原子尺度機制,該工作為通過無序工程開發新的電極材料具有重要指導意義。


    論文作者是陶海征教授、麥立強教授和岳遠征教授指導的博士生熊方宇,陶海征教授和岳遠征教授是通訊作者,近日以“Revealing the atomistic origin of the disorder-enhancedNa-storage performance in NaFePO4 battery cathode"為題目發表在Nano Energy上。



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