华南理工Angew:低温钠电正极材料的高熵策略突破

发布日期:2025-03-28

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导语



钠离子电池(SIBs)因其钠资源丰富、安全性高及适应宽温域等优势,在大规模储能领域备受关注。正极材料作为电池性能的关键,是研究热点。聚阴离子化合物因结构稳定、体积波动小等优点,具有应用潜力。Na4Fe3(PO4)2(P2O7)(NFPP)材料凭借3.1V工作电压、128.9mAh·g⁻¹理论比容量及低成本,成为极具潜力的正极材料之一。然而,NFPP存在电子导电性差和Na⁺扩散动力学缓慢的问题,限制了其在低温下的性能。如何通过结构设计协同提升NFPP材料的低温离子/电子输能力,仍是当前亟需解决的关键科学问题。



研究亮点

                        • 创新高熵策略:华南理工大学杨成浩团队通过喷雾干燥和高温烧结技术合成了高熵Na4Fe2.95(MgCaAlCrMn)0.01(PO4)2P2O7 (HE-NFPP)。

                        • 电子传输促进:通过高熵策略将过渡金属(TMs)离子掺入NFPP,降低导带与价带之间的带隙,促进电子传输。

                        • 低温性能提升:三维网络Na⁺离子扩散通道有效提高Na⁺离子扩散效率,增强低温下的电极反应动力学。



                        图文解读

                        图1:展示了HE-NFPP样品的制备流程图,详细描述了从原料到最终产物的合成步骤。

                        图2:提供了NFPP和HE-NFPP的XRD精修图、晶体结构、SEM图像、截面SEM图像、HRTEM图像以及EDS元素分布图,揭示了材料的微观结构和形貌特征。

                        图3:展示了NFPP和HE-NFPP在25℃下的循环伏安曲线、首次充放电曲线、倍率性能、电化学阻抗谱图、循环性能以及20.0C循环性能,证明了HE-NFPP的优异电化学性能。

                        图4:描绘了NFPP和HE-NFPP的充/放电过程及原位XRD谱,以及体积变化,进一步证实了HE-NFPP在充放电过程中的结构稳定性。

                        图5:展示了HE-NFPP||HC软包全电池的示意图、循环伏安曲线、充放电曲线、不同温度下的放电容量、-10℃下的循环性能以及25℃下的长期循环性能,证明了HE-NFPP在实际应用中的潜力。

                        图6:提供了NFPP和HE-NFPP在0.4A下循环500次后的XPS图、SEM图像以及长期循环测试后颗粒的结构稳定性示意图,进一步证实了HE-NFPP的稳定性。



                        总结展望

                        通过喷雾干燥和高温烧结工艺成功合成了球形高熵Na4Fe2.95(MgCaAlCrMn)0.01(PO4)2P2O7 (HE-NFPP)正极材料。得益于通过高熵策略将过渡金属(TMs)掺杂到NFPP中,导带与价带之间的带隙显著降低,确保了快速的电子传输并提升了电子导电性。同时,通过TMs掺杂在NFPP中形成的三维网络Na⁺离子扩散通道能够有效提高Na⁺离子的扩散效率,从而增强了低温下的电极反应动力学。此外,该策略还显著缓解了在充/放电过程中由于Na⁺离子脱嵌导致的HE-NFPP体积膨胀/收缩。最终,所获得的HE-NFPP正极材料展现出优异的低温倍率性能和循环稳定性。本研究为开发先进的钠离子电池正极材料并推动其产业化应用提供了可行的方向。

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