近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒、副研究員鄭瓊團(tuán)隊(duì)和燕山大學(xué)唐永福教授團(tuán)隊(duì)合作，在鈉/鋰離子電池電極儲能機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。
近年來，鈉離子電池作為研究熱點(diǎn)得到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注，取得了快速發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，具有較高Na+儲存性能和循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料，對于提高鈉離子電池的能量密度和倍率性能十分重要。
顆粒細(xì)化誘導(dǎo)提高鈉離子電池循環(huán)容量的機(jī)理示意圖
本工作中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種珊瑚狀的FeP復(fù)合材料，該材料可錨定FeP納米顆粒，并將其均勻分散在氮（N）摻雜的三維（3D）碳骨架（FeP@NC）上。珊瑚狀FeP@NC復(fù)合材料具有較短的電荷轉(zhuǎn)移路徑和較高的導(dǎo)電氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)，可顯著改善復(fù)合材料的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。同時(shí)，由于FeP納米顆粒周圍具有高度連續(xù)的N摻雜碳骨架和彈性緩沖的石墨化碳層，基于FeP@NC復(fù)合材料的鈉離子電池（SIB）表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在10A/g下經(jīng)10000次循環(huán)后其容量保持率為82.0%。
更為重要的是，針對循環(huán)過程中電池容量逐漸上升的現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合電化學(xué)研究和原位電鏡表征分析，證實(shí)了一種獨(dú)特的顆粒細(xì)化在循環(huán)過程中提高容量的作用機(jī)制，這種容量提升效果在小電流下表現(xiàn)得更為顯著。研究表明，均勻分布在氮摻雜碳基體上的FeP納米顆粒，在第一個(gè)循環(huán)中經(jīng)歷了細(xì)化-復(fù)合過程，經(jīng)過數(shù)次循環(huán)后呈現(xiàn)出全區(qū)域細(xì)化的趨勢，這種細(xì)化對周圍的非晶碳產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用，引起復(fù)合材料石墨化度和界面磁化強(qiáng)度逐漸增加，為Na+的存儲提供了更多的額外活性中心，進(jìn)而提高了循環(huán)容量。這種容量提升機(jī)制也可以擴(kuò)展到鋰離子電池（LIBs）。研究發(fā)現(xiàn)，在10A/g下，經(jīng)5000次循環(huán)后，基于FeP@NC復(fù)合材料的LIBs的容量保持率為90.3%，超過了已報(bào)道的FeP基復(fù)合材料的容量保持率。
該研究提出了一種在循環(huán)過程中經(jīng)顆粒細(xì)化誘導(dǎo)提高電池容量的新策略，為設(shè)計(jì)高性能的SIBs/LIBS負(fù)極材料提供了新思路。
相關(guān)成果以“A Coral-Like FeP@NC Anode with Increasing Cycle Capacity for Sodium-Ion and Lithium-Ion Batteries Induced by Particle-Refinement”為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生王燦沛。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的資助。
