物理化学学报 >> 2020, Vol. 36 >> Issue (5): 1905017.doi: 10.3866/PKU.WHXB201905017
所属专题: 钠离子储能材料和器件
收稿日期:
2019-05-02
录用日期:
2019-06-18
发布日期:
2019-06-24
通讯作者:
姜银珠
E-mail:yzjiang@zju.edu.cn
作者简介:
姜银珠,浙江大学教授,1983年出生。1998–2007年在中国科学技术大学本硕博学习,2007–2010年分别在亚申科技研发中心、英国Heriot-Watt大学、德国Bielefeld大学从事研究工作,2010年起加入浙江大学。主要从事电化学储能材料与器件研究
基金资助:
Wenli Pan,Wenhao Guan,Yinzhu Jiang*()
Received:
2019-05-02
Accepted:
2019-06-18
Published:
2019-06-24
Contact:
Yinzhu Jiang
E-mail:yzjiang@zju.edu.cn
Supported by:
摘要:
作为钠离子电池正极材料的体系之一,聚阴离子型化合物具有成本低廉和安全性高的优点,适合于大规模固定式储能系统。实时平衡电网电力供需水平对正极材料的倍率性能提出了更高的要求,而聚阴离子材料虽然存在离子扩散通道,但缺乏电子传输路径,导致其动力学性能不佳。为了挖掘影响聚阴离子型正极动力学性能的因素,本文以结构为基础,对影响聚阴离子正极离子扩散行为的本征原因作了阐述,再从表面修饰和形态设计入手,对目前研究较多的改善电极表面及界面处离子和电子扩散的策略作了总结与点评,然后从材料的分级结构回归到鲜见报导的元素掺杂和取代,从本质上提出优化动力学性能的方案,并展望了进一步提高正极材料倍率性能的方向。本文可为高倍率的聚阴离子型正极材料及其他材料的开发提供基本理论和实践依据。
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表1
不同聚阴离子钠电正极材料的结构及离子扩散系数"
Chemical formula | Space group | Dimensions of ion channels | Sodium diffusion coefficient/(cm2·s?1) | Ref. | |
Phosphates | Maricite-NaFePO4 | Pnma | none | 4.79 × 10?11 (nano amorphous particles) | |
Olivine-NaFePO4 | Pnma | one | 8.63 × 10?17 | ||
Na2FeP2O7 | P${\rm{\bar 1}}$ | three | (2.79–8.45) × 10?13 | ||
Na2CoP2O7 | P${\rm{\bar 1}}$ | three | / | ||
P21cn | two | / | |||
P42/mnm | three | / | |||
Na3V2(PO4)3 | R${\rm{\bar 3}}$cH | three | 4.59 × 10?13–2.45 × 10?10 | ||
Na3V2(PO4)2F3 | P42/mnm | three | 2.68 × 10?12 | ||
Na3(VO)2(PO4)2F | P42/mnm | three | (1–3) × 10?10 | ||
Sulfates | Na2Fe(SO4)2·2H2O | P21/c | two | 10?14 | |
Na2Fe(SO4)2·4H2O | P21/c | one | / | ||
NaFe(SO4)2 | C12/m1 | two | 9.01 × 10?10 (1273 K) | ||
Na2+2xFe2?x(SO4)3 | P21/c | three | 1 × 10?7 | ||
Orthosilicate | Na2FeSiO4 | P${\rm{\bar 1}}$ | three | (1.92–2.53) × 10?13 | |
Na2MnSiO4 | Pn | one | 2.37 × 10?15–8.62 × 10?14 | ||
Na2CoSiO4 | Pn2a | Three | 1.29 × 10?13–1.06 × 10?12 |
表2
不同聚阴离子钠电正极材料的倍率性能"
Chemical formula | Theoretical Capacity/(mAh?g?1) | Materials and ways to improve rate performance | Electrochemical data | Ref. |
Maricite-NaFePO4 | 150 | Nano-NaFePO4 (50 nm)/C | 142 mAh?g?1 at C/20 and 60 mAh?g?1 at 2C | |
Nano-NaFePO4 (40–140 nm)/C/graphene | 142 mAh?g?1 at C/20 and 51 mAh?g?1 at 5C | |||
Nano-NaFePO4 (1.6 nm) @ porous N-doped carbon nanofibers | 145 mAh?g?1 at 0.2C and 61 mAh?g?1 at 50C | |||
Oviline-NaFePO4 | 150 | Bare NaFePO4 | 125 mAh?g?1 at 7.5 mA?g?1 | |
Polythiophene-Wrapped NaFePO4 | 141 mAh?g?1 at 10 mA?g?1 and 42 mAh?g?1 at 300 mA?g?1 | |||
Na2FeP2O7 | 97 | Na2FeP2O7 (300-500 nm)/C | 82 mAh?g?1 at C/20 and 50 mAh?g?1 at 10C | |
Na2FeP2O7/MWCNT | 86 mAh?g?1 at 1C and 68 mAh?g?1 at 10C | |||
Na3V2(PO4)3 | 118 | Na3V2(PO4)3/C | 93 mAh?g?1 at C/20 and 29 mAh?g?1 at 1C | |
Na3V2(PO4)3 (20-40 nm) @ Porous Carbon Matrix | 102 mAh?g?1 at 20C and 44 mAh?g?1 at 200C | |||
Na3V2(PO4)3 (50-200 nm) @C@rGO | 115 mAh?g?1 at 20C and 86 mAh?g?1 at 100C | |||
Na3V2(PO4)2F3 | 128 | Core/double-shell structured Na3V2(PO4)2F3@C | 120 mAh?g?1 at 1C and 63 mAh?g?1 at 100C | |
Na3(VO)2(PO4)2F | 130 | Na3(VO)2(PO4)2F /C | 102 mAh?g?1 at 20C and 68 mAh?g?1 at 1C | |
Graphene quantum dots-shielded Na3(VO)2(PO4)2F @C nanocuboids | 102 mAh?g?1 at 20C and 70 mAh?g?1 at 45C | |||
Na2Fe(SO4)2· 2H2O | 82 | Bare- Na2Fe(SO4)2·2H2O | 70 mAh?g?1 at C/20 | |
Na2Fe(SO4)2·2H2O@ zero-, one and two-dimensional carbon matrix (activated carbon, single wall carbon nanotubes and graphene) | 60 mAh?g?1 at 5C | |||
Na2+2xFe2-x(SO4)3 (x = 0–0.4) | 120 | Bare Na2+2xFe2?x(SO4)3 | 102 mAh?g?1 at C/20 and 58 mAh?g?1 at 20C | |
Na2+2xFe2?x(SO4)3/SWNT | 60 mAh?g?1 at 40C | |||
Na2FeSiO4 | 276 | Na2FeSiO4 (30–50 nm)/C | 106 mAh?g?1 at 10 mA?g?1 and 40 mAh?g?1 at 200 mA?g?1 | |
Na2FeSiO4 (20–50 nm)/C | 106 mAh?g?1 at 27.6 mA g?1 (0.1C) and 100 mAh?g?1 at 276 mA?g?1 (1C) | |||
mesoporous Na2FeSiO4 nanospheres @ carbon nanotubes | 173 mAh?g?1 at 0.1C and 109 mAh?g?1 at 20C | |||
Na2MnSiO4 | 280 | Na2MnSiO4 with 5% (volume percent) VC electrolyte additive | 210 mAh?g?1 at 0.1C and 100 mAh?g?1 at 5C | |
three-dimensionally ordered macroporous Na2MnSiO4/C | 207 mAh?g?1 at 0.1C and 76 mAh?g?1 at 5C |
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