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我所提出颗粒细化诱导提高钠/锂离子电池循环容量的新机制

  近日,我所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员、郑琼副研究员团队和燕山大学唐永福教授团队合作,在钠/锂离子电池电极储能机理研究方面取得新进展。

  近年来,钠离子电池作为研究热点得到了国内外广泛关注,取得了快速发展。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。

  本工作中,研究团队设计了一种珊瑚状的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。同时,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%。

  更为重要的是,针对循环过程中电池容量逐渐上升的现象,研究团队结合电化学研究和原位电镜表征分析,证实了一种独特的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表现得更为显著。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,这种细化对周围的非晶碳产生强烈的吸附作用,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。这种容量提升机制也可以扩展到锂离子电池(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。

  该研究提出了一种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》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。该工作的第一编辑是我所DNL17博士研究生王灿沛。上述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项目的资助。(文/图 王灿沛)

  文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202110177

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