編輯推薦:本文針對鋰電池負極在低溫下較差的動力學能力,提出Sn離子摻雜嵌入層狀鈦酸鹽材料中,大幅提高了負極在低溫條件下的電化學性能。通過活化後電極的反應動力學提高了三倍,進一步拓寬了鈉離子電池(SIBs)的反應溫度範圍。
受制於低溫條件下更差的反應動力學,SIBs的電化學性能隨溫度下降會出現明顯的衰落,在過低溫度下甚至會出現完全無法使用的情況。如何提高SIBs的低溫性能,是SIBs在高緯度地區應用不得不面對的實際問題。近日,哈爾濱工業大學的王振波教授及其團隊提出通過Sn2+離子嵌入層狀負極之中,通過協同作用,大幅提高電極的反應動力學,使得在-30℃下,電池依舊可以保持較好的電化學性能。並通過分析其反應機理,為後續的特殊條件儲能器件的設計提供了極大地參考指導。相關論文以題為「Enhancing Na-Ion Storage at Subzero Temperature via Interlayer Confinement of Sn2+」在 ACS nano上發表。
論文連結:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05925
由於鈉元素更高的豐度,SIBs電池被認為是最有希望取代鋰離子電池的下一代儲能器件。但是,SIBs離實際商業化應用還有著諸多的問題,其中之一就是其在低溫環境中SIBs電池的離子電導率、離子擴散係數均會降低,而界面阻抗也會升高,這些最終導致電池的電化學性能會發生大幅衰減,導致其無法在高緯度地區或者其他極端環境中應用。根據最近的研究發現電池的正極(Na3V2(PO4)3、Na3Ti2(PO4)3等)和電解液體系其實在低溫條件下均還有較好的電化學性能,因此認為決定電池低溫條件下的電化學性能的關鍵在於負極材料。但SIBs負極材料在低溫下的研究還較少,且主要為炭材料,關於負極的反應動力學和離子電導率顯然也需要系統的研究。
本文作者針對這一問題,製備出僅有Sn離子摻雜的H2Ti2O4(OH)2(HTO),並對其在低溫條件下的反應動力學進行了研究。結果表明在層間Sn的Sn-5s具有更大的電荷,會與O-2p雜化引起電荷的再分配,從而提高電導率。Sn的合金化反應可以給電極提供額外的比容量,而HTO又可以穩定Sn的反應狀態,抑制體積膨脹。此外,電池在循環過程中產生的Na14Sn4還可以擴大HTO的層間距,有利於電子的轉移。這些協同導致電極在-20℃下循環1200圈還有91%的容量保持率;在-30℃下循環850圈還有90%的容量保持率。
總的來說,作者利用Sn和HTO的協同作用,實現了SIBs在極低溫條件下良好電化學性能。該結果表明分層限制策略是提高電池反應動力學和離子擴散能力的有效手段,對低溫環境電池材料的設計研發具有極其重要的指導意義。(文:Today)
圖1 (a) S-LT的製備示意圖;(b) 25-250℃下的原位變溫XRD圖;(c) H-LT的HRTEM圖;(d) S-LT的HRTEM圖;(e) S-LT的元素映射圖;(f)-(i) 樣品的XPS圖。
圖2 樣品的動力學計算結果。
圖3 S-LT在充放電過程中的相結構分析。
圖4 S-LT電極的反應動力學和反應勢壘分析。
圖5 低溫條件下電極的電化學測試。
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