《Na2FePO4F儲鈉機理的電化學原位XRD/XAFS方法研究》是依託廈門大學，由龔正良擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Na2FePO4F儲鈉機理的電化學原位XRD/XAFS方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：龔正良
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有資源豐富、成本較低的優勢，在低成本大規模儲能（如可再生能源儲能、智慧型電網削峰填谷等）領域有著巨大的套用前景。但是，在實現其套用前仍有許多關鍵科學問題有待解決。深入研究電池材料結構-性能間構效關係及充放電過程電化學反應機理，可以為材料的結構及性能最佳化和新材料的探索提供重要理論指導。同步輻射技術可以實現目前常規測試手段難以或無法進行的電池充放電過程原位研究，獲得重要而獨特的詳細結構和機理信息。本項目將針對具有高比容量特性的新型Na2FePO4F正極材料，利用電化學原位XRD及XAFS方法對其結構-性能間的構效關係及儲鈉機理等進行系統研究。通過對材料充放電過程中的結構相變、電子結構與過渡金屬元素氧化態變化及鈉離子脫嵌機制的深入研究，揭示材料結構-性能間的構效關係及儲鈉機理，為高性能聚陰離子型電極材料的開發提供理論指導，推動我國同步輻射技術在儲能電池研究中的套用。
結題摘要
鈉離子電池由於其資源豐富、成本較低等優勢，在低成本大規模儲能（如可再生能源儲能、智慧型電網削峰填谷等）領域有著巨大的套用前景。然而，目前電極材料的性能仍無法滿足套用的需求。電極材料的性能主要取決於其組成及結構，系統研究電極材料結構-性能間構效關係及充放電過程電化學反應機理，可以為材料的結構及性能最佳化和新材料的探索提供重要理論指導。同步輻射光源及其相關的譜學技術因其具有亮度高、單色性好及能量可調等突出特點，為電池材料組成-結構-性能關係的解析，尤其是其充放電循環過程的電化學反應機理的原位、實時動態研究提供了強有力的分析手段。 本項目利用基於同步輻射的電化學原位X-射線衍射（XRD）及X-射線吸收譜（XAS）技術對Na2Fe1-xMnxPO4F及磷酸銅等鈉離子電池正極材料的構效關係及充放電過程電化學反應機理進行了深入研究。通過最佳化原位電池設計和電化學原位測試技術，將Mythen新型線探測器套用於鈉離子電池原位研究，提高了電化學原位XRD的時間解析度和角度解析度，獲得了高信噪比原位譜圖。通過合成方法和條件的最佳化，獲得了具有良好電化學性能的Na2Fe1-xMnxPO4F/C系列材料。如在0.1 C倍率下，Na2FePO4F/C和Na2Fe0.5Mn0.5PO4F/C放電容量分別達115和107 mAh/g，循環100圈後容量保持率分別為85%和75%。對Na2Fe1-xMnxPO4F/C系列材料的研究結果表明，材料的電化學性能與其組成和結構密切相關。由於Fe2+和Mn2+離子半徑的差別，當x＞0.3時，Na2Fe1-xMnxPO4F由Na2FePO4F的二維層狀結構轉變為Na2Fe0.5Mn0.5PO4F的三維隧道結構。鈉在Na2FePO4F中的嵌脫遵循兩相反應機理，兩對充放電平台分別對應於兩個兩相反應過程，充放電過程具有良好的結構可逆性和穩定性，對應於其良好的電化學活性和循環穩定性。而鈉在Na2Fe0.5Mn0.5PO4F中的嵌脫遵循單相固溶體嵌入-脫出反應機理，在∼2.9 和3.5 V的兩對充放電平台分別對應於Fe3+/Fe2+和Mn3+/Mn2+氧化還原對，而Mn3+/Mn2+氧化還原對較慢的動力學速率是制約其倍率性能的主要因素。在Na2Fe0.5Mn0.5PO4F充電的第二個平台階段觀察到的非晶化現象，可能與充電過程形成Mn3+的姜泰勒效應導致的結構畸變密切相關。
