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鈉離子電池由于因儲(chǔ)量豐富易于獲取，作為鋰離子電池的替代品備受關(guān)注。NaFePO4因擁有高理論容量、低成本、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。然而，理論和實(shí)驗(yàn)證明，熱力學(xué)穩(wěn)定NaFePO4相作鈉離子電池正極時(shí)是電化學(xué)惰性的。如何利用熱力學(xué)穩(wěn)定磷鐵鈉礦NaFePO4是本領(lǐng)域亟待突破的重要科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。
武漢理工大學(xué)材料學(xué)科首席教授麥立強(qiáng)及硅酸鹽國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陶海征團(tuán)隊(duì)通過(guò)高能球磨，制備了具有不同非晶相含量的系列NaFePO4復(fù)合材料，證明了非晶相含量與儲(chǔ)鈉容量之間的關(guān)系；
麥立強(qiáng)教授使用高能行星式球磨機(jī)制備并不斷優(yōu)化復(fù)合材料的性能，在800rpm高轉(zhuǎn)速下，將NaFePO4復(fù)合材料與1.5ml異丙醇共混球磨5-25小時(shí)，以觀察不同球磨時(shí)間達(dá)到的優(yōu)化效果。從SEM照片不難看出，絕大多數(shù)NaFePO4復(fù)合材料已被研磨至100nm以下。
優(yōu)化后的NaFePO4復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1 C倍率下容量約115 mAh/g, 循環(huán)800次后容量保持率為91.3%；結(jié)合同步輻射、拉曼散射等技術(shù)方法，揭示了無(wú)序工程提升儲(chǔ)鈉性能的原子尺度結(jié)構(gòu)起源，提供了一種改善電池性能的新途徑，同時(shí)也為電池的研究開辟了一個(gè)新的研究方向。
【研究成果】
(a) 晶態(tài)磷鐵鈉礦NaFePO4和球磨不同時(shí)間的NaFePO4在1 C（155 mA g-1）倍率下的循環(huán)性能。
(b) 球磨15小時(shí)的NaFePO4對(duì)應(yīng)的充放電曲線;
(c) 球磨15小時(shí)的NaFePO4的循環(huán)性能.
(d) 球磨15小時(shí)的NaFePO4的倍率性能
(a-c) FESEM 圖像：球磨5小時(shí)的NaFePO4(b),和球磨15小時(shí)的NaFePO4(c)；
(d) 球磨15小時(shí)NaFePO4的TEM圖像；
(e-g) HRTEM圖像：晶態(tài)磷鐵鈉礦NaFePO4(e)，球磨5小時(shí)的NaFePO4(f)和球磨15小時(shí)的NaFePO4(g)；
(h) 球磨15小時(shí)的NaFePO4HAADF圖像和EDS元素分布圖。
球磨不同程度后NaFePO4的相變
【小結(jié)】
通過(guò)調(diào)控球磨參數(shù)制備了具有不同非晶相含量NaFePO4同質(zhì)多相復(fù)合材料，并證明了非晶相含量與儲(chǔ)鈉容量之間的關(guān)系。優(yōu)化后的NaFePO4展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1C倍率下容量約115mAh/g, 循環(huán)800次后容量保持率91.3%。這可以歸因于非晶相與晶相的協(xié)同效應(yīng)，即活性的非晶相有利于實(shí)現(xiàn)高的儲(chǔ)鈉容量，而非活性的晶相能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
此外，揭示了該材料中無(wú)序工程提升儲(chǔ)鈉性能的原子尺度結(jié)構(gòu)起源，即非晶化過(guò)程中共邊的[FeO6]八面體向共頂或共邊[FeOn]多面體的轉(zhuǎn)變是獲得高儲(chǔ)鈉性能的關(guān)鍵。作者通過(guò)系統(tǒng)表征發(fā)現(xiàn)了無(wú)序工程提升NaFePO4電化學(xué)性能的原子尺度機(jī)制，該工作為通過(guò)無(wú)序工程開發(fā)新的電極材料具有重要指導(dǎo)意義。
論文第一作者是陶海征教授、麥立強(qiáng)教授和岳遠(yuǎn)征教授指導(dǎo)的博士生熊方宇，陶海征教授和岳遠(yuǎn)征教授是通訊作者，近日以“Revealing the atomistic origin of the disorder-enhancedNa-storage performance in NaFePO4 battery cathode”為題目發(fā)表在Nano Energy上。
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