新型磷酸釩氧鈉正極材料在鈉離子電池中的套用

《新型磷酸釩氧鈉正極材料在鈉離子電池中的套用》是依託天津理工大學，由何廣擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型磷酸釩氧鈉正極材料在鈉離子電池中的套用
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：何廣
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

磷酸釩氧鈉（NaVOPO4）作為鈉離子電池正極材料的理論容量和理論能量密度分別高達145 mAh/g和490 Wh/kg，是理想的聚陰離子正極材料。單斜晶系的α-NaVOPO4雖然合成相對簡單，但較低的離子導電率導致電化學表現遜於四方晶系的αI-NaVOPO4和正交晶系的β-NaVOPO4。後兩個結構是最近才發現的新型電極材料，初步研究表明鈉離子在此兩種結構中的傳導效率明顯高於結構，更易實現高比容量。作為新結構，兩個電極材料還缺乏進一步的研究。 本項目擬探索合適的製備方法以製備出微觀結構可控的納米粒子進行表面修飾，改善制約電極性能的關鍵因素，即較低的電導率，從而實現電極可逆容量的大幅提高；同時深入研究電極的電化學儲鈉機理，探索性能與晶體結構和微觀結構的內在關聯,以及如何實現進一步嵌鈉形成Na2VOPO4。對這些科學問題的研究將有力推動磷酸釩氧類正極材料在鈉離子電池的發展。

結題摘要

鈉系磷酸釩氧（VOPO4/NaVOPO4）是聚陰離子電極中能量密度僅次於布魯士藍的一類高能量密度鈉離子電池正極材料。申請人于海外工作期間發展了新型正交和四方晶系的NaVOPO4新結構，但製備工藝較為繁瑣，且只對兩個新材料進行了初步探索。因此，本項目針對這兩個新的高比能正極材料進行了細緻研究，主要研究內容包括以下幾點：1、合成技術及導電包覆的工藝最佳化。此類正極材料與其他聚陰離子類似，具有低離子/電子電導率的特點。針對這一技術難題，我們探索了包括離子交換、高溫固相合成、微波溶劑熱反應等多個合成手段，並通過控制製備條件調控粒子粒徑，採取多種技術進行碳和導電聚合物包覆。最佳化後的兩種電極均展現出較高的電化學活性和循環性能，如正交晶系的beta-NaVOPO4的其實容量從之前的<50 mAh g-1大幅提升到130 mAh g-1，循環性能從＜300周期可延長至1000周期，且在不同溫度下均可穩定循環，在鈉離子電池正極材料中具有很強的競爭力。2、磷酸釩氧正極一個重要特點為雙電子反應，其理論容量可高達320 mAh g-1。我們首次研究了不同晶型材料第二個鈉離子可逆脫嵌的情況。各種表征技術表明正交晶型材料的鈉脫嵌過程不可逆，隨著循環的進行其結構被逐步破壞。但是四方晶型正極可以保證兩個鈉離子自由脫嵌，因此其容量可進一步提升到>200 mAh g-1。3、由於鈉金屬在半電池測試中出現性能衰減，我們又研究了金屬電池中的枝晶問題，通過對鹼金屬負極進行合金化保護，其循環穩定性明顯改善。本項目的研究表明磷酸釩氧正極是一種很有競爭力的聚陰離子材料，其理論容量超過大部分現有鋰離子電池正極材料。今後可針對工程化探索進行進一步最佳化，推動鈉離子電池產業化進程。本項目基本完成預期目標，在Angew Chem Int Ed、J Mater Chem A，ACS Energy Lett、Chem Commun、Electrochimica Acta等國際知名刊物發表7篇論文，兩項專利處於申請階段，並有2篇論文正在準備過程中，將於近期投稿。