新加坡科技与设计大学开发高稳定钠储能阴极材料让电池更持久

随着电子产品的不断升级换代,高能电源的发展已经成为未来科技发展的关键环节。然而,锂资源短缺、回收利用难度大等问题成为制约其发展的重要因素。

近年来,以钠离子电池(SIBs)为代表的非锂基可充电电池,以其原料来源丰富,引起了人们的广泛关注。作为SIBs能量输出的关键决定因素,阴极的开发取得了令人振奋的进展,如分层材料、聚阴离子和普鲁士蓝类似物(PBAs)等。新加坡科技与设计大学开发高稳定钠储能阴极材料让电池更持久。

在这些阴极中,基于锰的普鲁士蓝类似物(Mn-Fe PBA,Na2Mn [Fe(CN)6])代表了SIB的最有前途的阴极材料之一,因为它具有较高的理论容量和自适应体积变化。然而,Mn-Fe PBAs在从立方相向四方相过渡的过程中,其循环可逆性和容量保持能力较差,这与Jahn-Teller畸变引起的Mn?N6八面体的大结构变形有关。

以往对抑制大结构变形的努力主要集中在优化相结构或部分原子置换上,但是这些方法不能在维持高容量的同时维持稳定的循环,而这对于电池的实际应用是必要的。

在Cell Chem上发表的研究中,研究人员开发了一种可控的策略,即通过使用强螯合剂乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)在Mn-Fe PBA上形成非常规阳离子Mn空位(VMn)。Mn-Fe PBA中的VMn可以抑制Mn?N键的运动,从而减轻Mn?N6八面体的Jahn-Teller变形,而导致NMF的高度可逆相变以及出色的长期循环稳定性和容量保留度。

新加坡科技与设计大学开发高稳定阴极材料让电池更持久
研究人员开发出一种高稳定性钠储能阴极材料

由于EDTA2-的强螯合作用,Mn2+与EDTA2-螯合形成了高度稳定的六共轭八面体,不仅大大减缓了Mn2+的释放速率以及EDTA-NMF的形成速率,而且还将Mn原子从晶格中移出。随着反应的进行,Na2EDTA的强配位将继续蚀刻NMF,并在表面生成更多的VMn。

Mn-Fe PBAs中的VMn可以作为第一道屏障,防止电池循环过程中的结构破坏。因此,Mn-Fe PBAs在半电池(在0.5 A g-1下循环2700次后为72.3%)和全电池(在0.1 A g-1下循环550次后为75.5%) Mn-Fe PBA都表现出了出色的长期循环稳定性和容量保持率。

考虑到PBA的简易合成和多样性,这项工作不仅促进了可控缺陷或空位工程的创新合成方法,而且为探索PBA以外材料结构、空位和电化学性能之间的关系开辟了无限的途径。

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