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在锂/钠离子电池负极中加入纳米氧化铁的不同表现

发表时间:2023-03-08 15:42

随着未来锂离子电池在电动汽车和储能电站领域的大规模应用预期,有限的锂资源将难于满足日益增长的需求,也会极大的限制锂离子电池的可持续发展。

作为锂离子电池的替代品,钠离子电池具有相似的电化学行为;同时,相对锂而言,钠具有更大的地球储量和更低的使用成本,开发钠离子电池对未来大规模储能电站将具有深远的影响。当前,钠离子电池的发展仍处于再起步阶段,电极材料仍是制约钠离子电池发展的瓶颈,开发适用于钠离子电池的高性能新型电极材料就成为钠离子电池发展的关键。

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分别将不同含量的过渡金属氧化物纳米Fe203 九朋CY-E01和CuO与钛酸锂进行复合。电化学测试结果表明,复合后活性材料的质量比容量相比于纯钛酸锂有了很大提升。当纳米Fe203和CuO的复合含量为5wt%时,所得到的Li4Ti5012/Fe203与Li4Ti5012/CuO都具有较高的质量比容量和循环稳定性,在100次循环后可逆容量仍能保持在172 mAhg﹣¹。

而在20C的高倍率下,Li4Ti5012/CuO的比容量还能维持106 mAhg﹣¹。分析其电化学性能提升的原因,一方面是高比容量的过渡金属氧化物可以贡献一部分比容量,另一方面过渡金属氧化物经过转化反应后生成的金属单质能够提高钛酸锂的导电性,从而提高活性材料的倍率性能。

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接下来我们着重分析Fe2o3的电化学行为及其储钠机理。通过非原位表征证明了Fe2o3九朋CY-E01与Na之间存在转化反应,进一步通过CV曲线以及充放电曲线证明了赝电容行为的存在,促进了Fe203优异的电化学性能。

除了具有高的可逆比容量和优异的循环稳定性,Fe203电极还具有优异的倍率性能。Fe203电极在005、01、0.2、0.5、1 0和2.0 Ag﹣¹的电流密度下所达到的比容量分别为610、561、474、41 8、371和323 mAhg﹣¹。

甚至在5.0Ag﹣¹的超高电流密度下,也能达到233mAhg﹣¹的比容量,这已经超过了目前所报道的大部分钠离子电池负极材料包括非石墨化碳材料以及合金化材料的性能。

在经过商倍率循环之后当电流密度降回05 Ag﹣¹时,其比容量还能回到604 mAhg﹣¹。值得注意的是在较低的电流密度下会出现库伦效率的异常现象,这可能需要通过更换合适的电解液来解决。

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另外.我们还研究了纳米Fe203 九朋CY-E01电极在高电流密度下的长循环性能。有趣的是随着电流密度的增加,即使在200次循环之后比容量的降幅也非常小:100mAg﹣¹下有386mAhg﹣¹,200mAg﹣¹下有331mAhg-1.1000mAg﹣¹下还有273mAhg-1。

其中赝电容行为可能对过渡金属氧化物的这种优异的倍率性能起了重要作用,这也促进了钠离子电池在未来的应用。

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