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汇总:静电纺丝在钠离子电池电极材料中的研究

能源环保    2021-09-18 16:58

研究背景

由于钠与锂具有相似发化学性质,且SIBs与LIBs有着类似的“摇椅”工作原理。SIBs的可逆充放电是通过Na离子在阴极和阳极材料之间的穿梭实现的。

钠离子比锂离子更大、更重,通常会导致SIBs反应动力学缓慢;此外,钠离子充放电过程中具有较大的体积变化,甚至不可逆的结构失效,造成电池的循环不稳定性。

因此,开发合适的电极材料以适应快速稳定的Na离子嵌入/脱出成为推动SIBs产业化发展的研究热点。

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1. J. Energy Chem.:核壳结构SnSe@C微棒用于钠离子电池负极

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常熟理工学院陶石&钱斌通过静电纺丝和退火工艺制备了具有微棒形态和核-壳结构的SnSe纳米粒子包埋碳纳米纤维(SnSe@C),并将其作为钠离子电池负极材料进行了研究。

得益于这种独特的结构,SnSe@C在1.0 A g-1的高电流密度下,经过500次循环后仍可提供283.8 mA h g-1的可逆容量。通过异位X射线衍射、高分辨透射电镜和选区电子衍射等方法进一步表征了SnSe的钠离子存储机理。

通过赝电容和原位电化学阻抗谱测量研究了电极的优异电化学性能。这项工作为合成具有核-壳结构的金属硒化物提供一条新途径,并且为研究动力学过程提供了一个不错的思路。

DOI: 10.1016/j.jechem.2020.07.016

 

2.Carbon:具有连通大孔的少层MoS2/氮掺杂碳纤维用于超快钠存储

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广东工业大学张海燕&李争晖通过静电纺丝研制出一种新型的一维纤维状电极材料(MoS2/NCF-MP),该材料集成了少层MoS2、超薄碳连续骨架、掺杂的N原子和界限清晰的3D连通大孔。

当用作钠离子电池的负极时,其独特的结构层次能够最大程度地减小固态扩散长度,降低电化学电阻,加速Na+从块体向电极的转移,并缓解在脱出/嵌入过程中的体积变化,从而显示出高度可逆的容量、长期的耐用性以及超快的钠存储能力。

在0.1 A g-1下的100次循环后,MoS2/NCF-MP的稳定可逆容量达到480 mAh g-1,在1 A g-1下具有300次循环的长期循环寿命,没有观察到明显的容量下降。

即使在30 A g-1的极高电流密度下,MoS2/NCF-MP仍可提供217 mAh g-1的超高容量,这意味着充电/放电过程可以在很短的时间内(26 s)完成。

DOI: 10.1016/j.carbon.2020.07.008

 

3. Adv. Funct. Mater.: P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的分等级微纳结构设计助力高性能钠离子电池正极

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北京科技大学范丽珍教授、刘永畅副教授以及河北大学张宁副教授利用静电纺丝技术合成了一种由纳米颗粒组装的P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2多孔纳米纤维储钠正极材料,所得纳米颗粒尺寸细小(20-90 nm),纳米纤维完整性良好,分布均匀。

纳米纤维相互联结形成三维网络骨架促进了钠离子的快速迁移(0.1和20 C下可逆容量分别为166.7和73.4 mAh g-1),增强了材料的结构稳定性(500次循环后的容量保持率约为81%)。

将P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2纳米纤维正极与硬碳负极匹配,合理地构建了软包钠离子全电池,展现出高能量密度和长循环寿命的应用前景。

DOI:10.1002/adfm.201907837

 

4.J. Power Sources:Sn4P3@多孔碳纳米纤维作为钠离子电池的自支撑负极

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使用静电纺丝结合热处理将Sn4P3纳米点封装到多孔的自立式碳纳米纤维(称为Sn4P3@CNF)中。该操作实现了良好的容量和长期稳定性,这归因于独特的纤维结构和超小的Sn4P3颗粒尺寸(8 nm)。

多孔结构使电解质易于渗透到纤维中,从而增加了电化学反应位点的数量。此外,多孔纤维中的空隙有效地适应了钠化和脱钠过程中的体积膨胀。

经过200个循环,可实现710 mA hg-1以上的高可逆容量。使用Sn4P3@CNF负极和Na3V2(PO4)3正极的全电池表现出3 V的良好平均工作电压和252 Wh kg-1的高能量密度。

DOI:10.1016/j.jpowsour.2020.228116

 

5. Small:一维蜂窝状无定形钒酸锌,用于稳定快速的钠离子存储

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哈尔滨工业大学裴健和陈刚教授等人通过简单的静电纺丝和煅烧工艺制备了一种蜂窝状无定形Zn2V2O7(ZVO‐AH)纳米纤维作为SIBs负极材料,其具有丰富的缺陷位点、复杂的空腔和良好的机械柔性。

该制备策略依赖于有机钒源的膨胀和挥发性,蜂窝状空腔的形成机理与吹糖法相似,VO(acac)2的挥发会导致钒的损失,并导致非晶化。在无定形态和蜂窝状空腔的协同作用下,ZVO‐AH显示出增强的电化学活性、加速的钠离子扩散和稳健的结构。

ZVO-AH负极具有出色的循环稳定性(在5 A g−1下循环5000次后的容量保持率为112%)和高倍率容量(10 A g−1下的比容量为150 mAh g−1)。

DOI:10.1002/smll.201906214