应用于钠离子电池的层状氮化钒(VN)电极新材料研究取得进展
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应用于钠离子电池的层状氮化钒(VN)电极新材料研究取得进展
 发布时间:2020-02-17  大小:【

随着电动汽车和智能电网时代的来临,商用锂离子电池(LIB)在满足大规模功耗的需求上存在极大的挑战。具有丰富资源、低成本的钠离子电池(SIB)是目前最有吸引力的候选者之一。然而,由于钠的离子半径比锂大,适用于钠离子电池的负极材料有限。过渡金属氮化物具有优异的金属电导率、抗氧化、抗腐蚀和化学稳定性,是极具应用前景的SIB电极材料。但是,在充放电过程中SIB电极材料存在巨大的体积变化,往往表现出差强人意的循环性能。近期,中国科大国家同步辐射实验室陈双明副研究员和宋礼教授研究团队从材料的结构优化设计出发,利用同步辐射X-ray探究了新型层状氮化钒(VN)的微观结构和储钠机理。相关研究结果发表于国际著名期刊Adv. Energy Mater. (20201903712),论文第一作者是硕士研究生魏世强和博士后王昌达。


图:层状VN电极材料的设计合成、结构表征和充放电机理的X-ray解析


传统的块状VN具有一种岩盐状结构,在钠离子存储过程中通常发生转化反应,产生的Na3NV会导致巨大的体积膨胀,从而表现出较差的稳定性和热平衡。可以设想,如果能在块体VN中打开一些离子通道,则有望促进钠离子的嵌入/脱出过程。进一步,这种打开的层间中可以预放置一些“支柱”来获得非常稳定的离子通道。这种独特的分层结构不仅可以为离子在中间层中的传输提供通道,而且由于VN的良好电导率也将加速内层电子的传输。基于这个想法,我们选择了二维层状V2C MXene作为前驱体,采用一步氨化法将其转化为层状VN。得益于V2C MXene中残留的Al以及C,电镜观测发现该层状VN具有层间Al原子支撑、表面C包覆的独特结构。电化学性能测试表明,层状VN具有较高的比容量、优异的倍率性能和超过7500圈的循环寿命。随后,通过将层状VN与商业化活性炭结合,构筑的钠离子混合电容器也表现出优异的能量密度与功率密度。结合同步辐射X-ray吸收谱和衍射解析,我们发现层状VN电极新材料的储能机理由传统的转化机制转变为插层型赝电容机制,这极大地提高了其钠离子储存的循环稳定性。此外,相比传统的块体金属氮化物,层状VN具有更多的离子通道,从而为离子运输和储存提供了更多的空间。相关结果有望为构筑超长循环寿命储能器件的电极材料设计提供了一种新的思路。


该工作得到了科技部重点研发计划、国家基金委大科学装置联合重点和中意国际合作、中科院重点前沿和国际伙伴计划、人社部博新计划、安徽省基金等项目的资助。


文章链接:https://doi.org/10.1002/aenm.201903712



 

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