Na3PS4:Ca離子摻雜提升離子電導率-全固態鈉電池

2021-01-08 掰特瑞

通訊作者：Yoon Seok Jung

通訊單位：漢陽大學-韓國首爾

研究背景

高離子電導率的鈉固態電解質是全固態鈉電池的核心，相似離子半徑的異價元素摻雜能夠顯著提升固態電解質的室溫離子電導率，高的離子電導率有利於電池的倍率性能。

研究亮點

Ca摻雜Na3PS4實現0.94mS/cm的離子電導率；Ca離子的引入使得Na3PS4由四方相轉變為立方相；TiS2/Na-Sn電池在0.06C下充電容量200mAh/g。

研究內容

1、Ca-doped Na3PS4物相

隨著摻雜量的增加，Na3PS4由四方相轉變為立方相。

2、離子電導率

在摻雜量為0.135獲得最高的離子電導率，0.94mS/cm。

3、TiS2/Na-Sn電池性能

測試條件：1.0-2.5V，30℃。

4、工藝

四方相Na3PS4：Na2S，CaS，P2S5，球磨500rpm-3-5h，550℃（5℃/min）-12h；

立方相Na3PS4：Na2S，CaS，P2S5，球磨500rpm-3-5h，270℃-1h；

電池構成：正極TiS2+電解質質量比1:1，負極Na3Sn，100mg電解質，50mg負極，10mg電極370MPa壓制。

點評

Ca的離子半徑與Na的離子半徑相近（分別為100pm和102pm），有可能引入Na3PS4晶格中，而且通過二價Ca離子的引入，增加晶格中Na空位的數量，從而提升Na3PS4的離子電導率。提升離子電導率根本上是為了能夠提升電池的倍率性能，但電池的倍率性能要想得到提升，電解質只是其中一個方面。

參考文獻

Moon, C. K.; Lee, H.-J.; Park, K. H.; Kwak, H.; Heo, J. W.; Choi, K.; Yang, H.; Kim, M.-S.; Hong, S.-T.; Lee, J. H.; Jung, Y. S., Vacancy-Driven Na+ Superionic Conduction in New Ca-Doped Na3PS4 for All-Solid-State Na-Ion Batteries. ACS Energy Letters 2018,3 (10), 2504-2512.

相關焦點

  • Na3PS4:四方相也能具有高離子電導率-全固態鈉電池
    通訊作者：Ryoji Kanno通訊單位：東京工業大學-日本研究背景室溫離子電導率是鈉固態電解質的核心參數，如何實現固態電解質具有更高的離子電導率是目前研究全固態鈉電池的首要目標研究亮點1.Na3PS4的物相以及離子電導率由工藝決定；2.四方相Na3PS4實現最高的離子電導率3.39mS/cm，超過了普遍認為的立方相Na3PS4才能獲得更高的離子電導率
  • 《ACS Energy Lett》超穩定的全固態可充電鈉電池
    導讀：鈉超離子導體固態電解質以優異的熱穩定性和化學穩定性受到廣泛關注，但其離子電導率低、與正極材料之間界面阻抗過大等嚴重限制了其應用。本文利用不等價元素摻雜Na3Zr2Si2PO12材料，在電解質和正極材料界面引入中間層並組裝了全固態電池，獲得了超穩定的Na二次電池。
  • 中國科學院大連化學物理研究所:研製出高比能全固態鈉電池
    、離子和電荷的傳輸效率，研製出高比能、柔性的全固態鈉電池。傳統的鈉離子電池多採用液態電解質，容易出現漏液、燃燒等問題，而使用固態鈉離子電解質取代易燃的有機液態電解液，可有效提高電池的安全性。但是，固態鈉電池的發展也存在著問題：(1)固態電解質的離子電導率低;(2)固態電解質與電極間的界面接觸差;(3)電極材料在脫嵌鈉離子過程中的體積變化大，導致固態電池的內阻大、容量低、壽命短。
  • ACS Energy Letters:超穩定全固態鈉電池
    由於可以直接使用金屬鈉負極和高電壓正極，因此使用不易燃固體電解質的全固態鈉電池可以實現長周期循環穩定性和高能量密度。NASICON結構固體電解質Na1+xZr2SixP3-xO12（0≤x≤3）由於具有良好的熱穩定性和化學穩定性，是良好的固體電解質材料。進一步提高其室溫鈉離子電導率，並改善其與電極材料的界面接觸，將有效降低全固態鈉電池的內阻，改善電池的充放電性能。
  • 固態電解質0-25℃循環，離子電導率提升100倍
    作者提出了一種基於均勻靈感的PEO基快離子導電固體電解質的設計方案。調節丁二腈(SN)和PEO摩爾比的PEO基均相固體電解質同時抑制了PEO的結晶，降低了EO與Li+之間的親和力。通過調整SN與PEO的摩爾比(SN：EO≈1：4)，在均勻的固態聚合物電解質中形成了提供快速Li+傳輸的通道，使離子電導率提高了100倍，並使其能夠在低溫(0-25°C)下應用，同時實現了均勻的鋰沉積。
  • Na3PS4:離子電導率並不是由結構而是由工藝決定
    一、研究背景理論研究指出Na3PS4的兩種晶體結構（立方相和四方相）應該具有相似的離子電導率，但很多實驗證明立方相結構具有更高的離子電導率。兩種晶體結構對Na3PS4的離子電導率的影響還沒被深入了解。二、研究亮點通過球磨工藝得到的四方相Na3PS4具有和立方相結構相近的離子電導率；對於Na3PS4來說，其離子電導率與晶體結構無關，而是與材料的缺陷濃度有關，球磨工藝能夠對材料引入更多的缺陷，提升了四方相Na3PS4
  • 《ACS Energy Letters》:超穩定的全固態鈉離子可充電電池
    導讀：鈉超離子導體固態電解質以優異的熱穩定性和化學穩定性受到廣泛關注，但其離子電導率低、與正極材料之間界面阻抗過大等嚴重限制了其應用。來自中科院寧波材料所姚霞銀研究員、中科院物理所胡勇勝研究員、美國馬裡蘭大學王春生教授與上海大學施思齊教授（共同通訊作者）等人在NASICON型Na3Zr2Si2PO12材料中通過異價摻雜（Zn2+取代Zr4+，Si4+取代P5+），室溫電導率達到5.27*10-3 S/cm，同時組裝了FeS2||聚多巴胺-Na3.4Zr1.9Zn0.1Si2.2P0.8O12
  • LGPS:鋰快離子導體應用於全固態鋰電池
    一、研究背景鋰固態電解質離子電導率低，化學及電化學穩定性差，.需要開發新型固態電解質來滿足應用要求。二、研究亮點一種新型的鋰固態電解質Li10GeP2S12：具有1D的離子傳輸通道，室溫離子電導率12mS/cm。
  • 高離子電導率硫化物固態電解質的空氣穩定性研究進展
    全固態鋰電池兼具安全性和高能量密度, 作為下一代儲能器件備受關注. 硫化物固態電解質具有鋰離子電導率高、晶界電阻低、機械延展性好等優點, 作為最具商業化潛力的固態電解質, 引起了產業界和科研單位的廣泛興趣.
  • 全固態Na離子電池新進展
    導讀：全固態Na電池具有價格低廉、高能量密度、長循環壽命以及安全等優點，有望替代價格昂貴易爆的Li離子二次電池。但製備高離子電導率、低界面電阻的無機固態電解質並非易事。本文採用低溫快速微波燒結法製備了全密實NZSP固態電解質，獲得了較高離子電導率，並組裝研究了Na3V2(PO4)3/C|NZSP|Na全固態電池的性能。
  • 全固態鋰金屬電池近期研究成果及國內電池供應商布局
    一、超薄柔性聚合物電解質助力高效全固態鋰金屬電池目前，對聚合物電解質的研究多聚焦在提高其離子電導率。離子電導率由固態電解質的離子電導對電解質厚度和面積進行標準化處理計算得到。不同固態電解質的厚度相差較大，因此，即使電導率相近，厚度的差異導致了鋰離子在固態電解質中遷移距離的不同，直接影響了全固態電池電化學性能和能量密度。
  • 關於全固態鋰離子電池的淺析
    其關鍵主要包括製備高室溫電導率和電化學穩定性的固態電解質以及適用於全固態鋰離子電池的高能量電極材料、改善電極/固態電解質界面相容性。氧化物晶態固體電解質氧化物晶態固體電解質化學穩定性高,可以在大氣環境下穩定存在,有利於全固態電池的規模化生產,目前的研究熱點在於提高室溫離子電導率及其與電極的相容性兩方面。目前改善電導率的方法主要是元素替換和異價元素摻雜。另外,與電極的相容性也是制約其應用的重要問題。
  • 密西根學院科研團隊在《Chemical Reviews》發表固態離子導體的...
    固態離子導體不僅具有可媲美液態材料的離子電導率，同時具有不易燃與不具腐蝕性的特點，是一種更安全的選擇，可廣泛地應用於全固態電池、燃料電池和傳感器等領域。全面理解離子在固體中的輸運機理對於發現性能更加優越的新型固態離子導體具有重要的意義。然而固態離子導體中的離子輸運是一種複雜的物理現象。一方面，不同時間和長度尺度下的離子輸運特性可能存在顯著差異，需要從多尺度出發開展全面研究；另一方面，新型固態離子導體的設計與發現需要理解固體中的離子輸運特性，並將結構與離子輸運特性聯繫起來，找出二者之間的構相關係。
  • :基於2D半導體可逆固態摻雜的可編程器件
    此外，離子液體的流體性質與固態電子器件不兼容，並且不適用於為電路應用獨立切換多個器件。 成果介紹有鑑於此，近日，美國加州大學洛杉磯分校黃昱教授和段鑲鋒教授（共同通訊作者）等證明了固態離子摻雜方法可用於定製2D半導體中的載流子類型並構建可編程器件。
  • 【高比能鋰離子電池專刊*崔光磊】PEO/LITFSI固態電解質的離子傳輸與壓力構效關係
    最新的研究進展表明，以固態電解質取代傳統液體有機電解質，可有效解決傳統LIBs的安全隱患，並有望使LIBs承受較大的深海壓力。因此，全固態鋰電池是長續航、高安全深海裝備的理想的動力能源。近年來，研究人員高度關注高能量密度全固態鋰電池在深海潛水器等領域的應用。例如，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊等研發的固態聚合物鋰電池已經順利完成萬米海深的示範，極大推進了全固態鋰電池在特殊環境下的應用。
  • 河北科技大學王波團隊在鉀離子電池碳負極材料領域取得重要進展
    近日，河北科技大學材料學院王波教授帶領的科研團隊在鉀離子電池碳負極材料領域取得重要進展，相關研究在《納米能源》（Nano Energy,2020,104979,DOI:org/10.1016/j.nanoen.2020.104979）正式發表。
  • 助力全固態鋰金屬電池
    導讀：全固態電池由於高能量密度、長循環壽命、高倍率性能以及安全等優點而備受關注。作為全固態電池的核心部件，固態電解質一直是制約固態電池發展的瓶頸。本文採用Mg摻雜NASICON型固態電解質LiZr2(PO4)3得到Li1.2Mg0.1Zr1.9(PO4)3，Li+電導率得到巨大提升，同時研究了電池界面特性。
  • 發光學報 | 特邀綜述: 用於固態照明的四價錳離子光譜學
    該綜述論文主要面向固態照明領域紅光發射的熱點材料—Mn4+離子激活的螢光粉，回顧了Mn4+離子在自由和晶體場狀態下的能級結構以及發光行為對基質的依賴關係，並就實驗調控Mn4+離子摻雜型螢光粉的發射波長和發光強度等具體問題給出了許多行之有效的策略。
  • 物理所在聚合物固態鈉電池研究中取得進展
    固態電池是發展下一代高安全、高能量密度電池的關鍵技術。在發展固態電池的技術路線中，聚合物電解質由於具有良好的柔韌性，有利於在電極與電解質之間形成良好的界面接觸，能夠承受電極材料在充放電過程中的體積形變，且質量輕、易於加工，適合大規模生產，受到學術界研究人員的廣泛關注。
  • 大連化物所吳忠帥研究員團隊AEM:研製出高室溫離子電導率的光聚合凝膠電解質並用於固態鈉金屬電池
    近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊發展了一種高室溫離子電導率的光聚合凝膠準固態電解質，表現出優異室溫離子電導率、寬電化學窗口和出色的柔韌性，並以此構築出高比能、高倍率、長循環性能的鈉金屬電池。