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過程工程所等開發(fā)出新型鈉離子電池聚陰離子型磷酸鹽正極材料


來源:中科院過程工程研究所

[導(dǎo)讀]  過程所在鈉離子電池聚陰離子磷酸鹽正極的組成設(shè)計和性能優(yōu)化方面取得進展,開發(fā)出具備長循環(huán)穩(wěn)定性、高能量密度和低原料成本的富鈉-低釩新型磷酸鹽正極材料,對鈉離子電池規(guī);瘧(yīng)用具有重要意義。

中國粉體網(wǎng)訊  鈉離子電池因其原料豐富、價格低廉,且與鋰離子電池技術(shù)高度兼容等優(yōu)點,成為下一代大規(guī)模儲能系統(tǒng)最有潛力的電池技術(shù)之一。近日,中國科學(xué)院過程工程研究所綠色化工研究部研究員趙君梅團隊與四川大學(xué)磷基功能材料與新能源實驗室、中科院物理研究所清潔能源團隊合作,在鈉離子電池聚陰離子磷酸鹽正極的組成設(shè)計和性能優(yōu)化方面取得進展,開發(fā)出具備長循環(huán)穩(wěn)定性、高能量密度和低原料成本的富鈉-低釩新型磷酸鹽正極材料,對鈉離子電池規(guī)模化應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Energy Letters上。

隨著智能手機、電動車和電動工具等電子商品的普及,鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池等二次電池技術(shù)受到關(guān)注。受鋰資源儲量和地域分布的限制,鋰基化學(xué)制品價格上漲,無法滿足日益增長的儲能需求。近年來,鈉離子電池因其資源成本低及安全環(huán)保等優(yōu)點,在大規(guī)模儲能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

  趙君梅團隊致力于聚陰離子型磷酸鹽化合物研究。部分磷酸鹽產(chǎn)品已實現(xiàn)公斤級放大,集成的商業(yè)級26650圓柱電池證實了其高功率和長循環(huán)特性。為進一步降低成本,科研團隊開發(fā)了三元磷酸鹽正極——Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3(Adv. Energy Mater. 2021, 2100729)。在此前成果的基礎(chǔ)上,研究團隊研發(fā)出系列富鈉-低釩的磷酸鹽正極材料磷酸鋁錳釩鈉Na4.0V0.8Al0.2Mn1.0(PO4)3和Na4.2V0.6Al0.2Mn1.2(PO4)3。由于鋁替代了其中的釩,這些含鋁材料的原材料成本降低,如磷酸鋁錳釩鈉(Na4.0)的成本,較磷酸釩鈉(Na3V2)和磷酸錳釩鈉(Na3VMn)分別下降了44%和10%左右。此外,理論計算結(jié)果表明,引入鋁后形成了較強的離子-共價鍵,可以有效抑制材料中由于錳存在引起的姜泰勒結(jié)構(gòu)扭曲,即使在高度充電狀態(tài)下,材料仍展示出對稱的正八面體結(jié)構(gòu)。DFT計算表明,鋁摻雜的材料相比于未摻雜的磷酸錳釩鈉,具有更寬的三維離子擴散通道,Na+擴散勢壘明顯降低,展示了優(yōu)異的動力學(xué)性能。因此,含鋁的磷酸錳釩鈉的倍率和長循環(huán)性能得以顯著提升。如在40 C的高倍率下,磷酸鋁錳釩鈉(Na4.0)正極可獲得84 mA h g-1的可逆容量,而磷酸錳釩鈉的容量僅有62 mA h g-1;在5 C下循環(huán)1000周后,磷酸鋁錳釩鈉(Na4.0)可實現(xiàn)超過92%的容量保持率,達到磷酸錳釩鈉容量保持率的近2倍。由于錳在材料中的比重較大,材料的電壓平臺高,具備了較高的能量密度。如磷酸鋁錳釩鈉(Na4.0)和磷酸鋁錳釩鈉(Na4.2)的全電池能量密度可分別達到232Wh kg-1和224 Wh kg-1,優(yōu)于以往文獻報道中的多數(shù)聚陰離子正極的全電池數(shù)據(jù)。

  研究工作得到內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中科院潔凈能源創(chuàng)新院合作基金項目及中科院綠色過程制造創(chuàng)新研究院的支持。

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安)

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