醚類電解液協(xié)同提升金屬鉍的綜合儲(chǔ)鈉性能
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-11-06 09:20:35 發(fā)布人：editor
可再生能源是支撐現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。發(fā)展低成本、高效的能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換是可再生能源充分利用的前提。由于鈉資源豐富且成本低，鈉離子電池受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，鈉離子半徑大，其脫/嵌過程產(chǎn)生的電極材料體積效應(yīng)顯著，電池性能衰減迅速。因此，高效、穩(wěn)定的電極材料是鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。
近期，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院李福軍研究員課題組利用金屬鉍與醚類電解液的協(xié)同效應(yīng)，大幅提升了鈉離子電池的綜合性能，實(shí)現(xiàn)了負(fù)極材料的重要突破，闡明了電極材料充/放電過程的結(jié)構(gòu)演變是電池比容量、循環(huán)壽命和倍率等提升的關(guān)鍵影響因素。相關(guān)工作以題為“Bulk Bismuth as a High-Capacity and Ultralong Cycle-Life Anode for Sodium-Ion Batteries by Coupling with Glyme-Based Electrolytes”發(fā)表在Advanced Materials上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 性能表征
(a)第二個(gè)周期的放電和充電曲線。
(b)在(a)中標(biāo)記的狀態(tài)下的Bi電極的XRD圖案。
(c)放電至0.1V的Bi電極的SAED圖案。
(d)充電至2.1V的Bi電極的SAED圖案。
圖2 Bi電極的XPS圖譜
在NaPF6-G2電解液中的原始狀態(tài)，放電和充電的Bi電極的C1s(a)，O1s(b)和F1s(c)光譜。
【研究?jī)?nèi)容】
近年來，鈉離子電池的研究發(fā)展迅速，受到廣泛關(guān)注。然而，普遍用作鋰離子電池負(fù)極的石墨，由于較低的反應(yīng)電位易產(chǎn)生鈉枝晶，存在安全隱患。金屬單質(zhì)和合金不僅比容量高，且具有合適的電壓平臺(tái)和良好的電子導(dǎo)電性，成為目前研究的熱點(diǎn)。但在酯類電解液中，該類材料充/放電時(shí)的劇烈體積變化易引起膨脹和粉化，容量衰減快速。李福軍團(tuán)隊(duì)利用商業(yè)化塊狀金屬鉍與乙二醇二甲醚類電解液的協(xié)同作用，獲得了極其穩(wěn)定的電化學(xué)性能。他們發(fā)現(xiàn)，這一系列醚類電解液對(duì)電極材料具有很好的浸潤(rùn)性。同時(shí)，在使用醚類電解液進(jìn)行充/放電循環(huán)后，這種塊狀的金屬鉍逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N穩(wěn)定的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);但在酯類電解液中，金屬鉍迅速膨脹、粉化。這種獨(dú)特的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠容納金屬鉍充/放電過程的體積變化，還能夠?yàn)殡娮印㈦x子的快速傳輸提供保證。另一方面，在醚類電解液的作用下，鉍表面能夠形成薄的、高穩(wěn)定的SEI膜，大大提高了電池的效率和穩(wěn)定性。 在醚類電解液的協(xié)同作用下，金屬鉍的首圈庫(kù)倫效率可高達(dá)94.8%。在400 mAg-1的電流密度下，金屬鉍的比容量為387 mAhg-1，在經(jīng)過2000次充/放電循環(huán)后，容量保持率為94.4%。在金屬鉍與醚類電解液的協(xié)同作用下，鈉離子電池展現(xiàn)了出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。此研究為探尋穩(wěn)定的鈉離子電池負(fù)極提供了嶄新的思路。