高熵Na?V?.??(Ti, Mg, Mn, Cr, Zr)?.??(PO?)?F?正极材料在钠离子电池中的应用

《Journal of Energy Storage》:High-entropy Na?V?.??(Ti, Mg, Mn, Cr, Zr)?.??(PO?)?F? cathodes for sodium-ion batteries

【字体: 时间:2025年11月26日 来源:Journal of Energy Storage 9.8

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  高熵掺杂策略制备的Na?V?.??(Ti, Mg, Mn, Cr, Zr)?.??(PO?)?F?(NVPF-HE)正极材料显著提升了钠离子电池性能,通过原子级固溶和可控晶格畸变实现钠离子扩散系数增强与界面动力学优化,在20C倍率下500次循环后容量保持率高达74.9%。

  
陈和章|王晨|韩帅|文青|李培尧|郑俊超|唐林波|黄英德
湖南科技大学化学与化学工程学院,教育部理论有机化学与功能分子重点实验室,湘潭,411100,湖南,中国

摘要

NASICON型Na?V?(PO?)?F? (NVPF)由于具有高工作电压、优异的结构稳定性和相当的理论容量,被认为是钠离子电池非常有前景的正极材料。然而,其固有的低电子导电性和离子脱嵌引起的结构应力严重限制了其电化学动力学行为。在这项研究中,我们创新性地采用了高熵掺杂策略,通过精确可控的溶胶-凝胶工艺合成了多元素共修饰的正极材料Na?V?.??(Ti, Mg, Mn, Cr, Zr)?.??(PO?)?F? (NVPF-HE)。结构分析表明,五种过渡金属在钒位点的原子级固溶不仅保持了NASICON的刚性框架,还诱导了可控的晶格畸变,显著提高了Na?的扩散系数,并抑制了低电压区域的不可逆相变。电化学性能表征显示,NVPF-HE在1C速率下可实现124.9 mAh g?1的可逆容量,在超高20C速率下经过500次循环后仍保持93.6 mAh g?1的比容量,容量保持率为74.9%。性能提升的机制源于高熵效应主导的晶格畸变降低了Na?的迁移能垒,并显著减弱了多元素共修饰界面动力学障碍。这一策略通过协同优化体相扩散动力学和界面传输,克服了NVPF材料的动力学限制。本研究不仅验证了高熵工程在提高NASICON材料性能方面的普遍性,还为设计具有高稳定性和宽工作条件适应性的先进钠离子电池正极提供了新策略。

引言

目前,全球能源结构正在加速转型,“双碳”目标正在深入推进。大规模储能技术已成为支持可再生能源高效利用和构建智能电网的核心要素。尽管锂离子电池主导了储能市场,但锂资源的日益稀缺和成本的上升严重限制了其可持续发展[[1], [2], [3], [4], [5]]。在此背景下,钠离子电池(SIBs)因其丰富的钠资源(地壳中占2.74%)、广泛的分布、低成本以及与锂离子电池相似的“摇椅”工作机制,被认为是最具前景的下一代电化学储能系统之一,适用于大规模应用[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。然而,钠离子的较大离子半径(1.02 ? vs. Li?的0.76 ?)导致电极材料中的扩散动力学缓慢,反复的(脱)嵌入容易引起显著的体积应变,从而限制了钠离子电池电极材料的倍率性能和长循环寿命。因此,开发具有优异结构稳定性和快速离子传导能力的电极材料是推动钠离子电池商业化的关键挑战[[12], [13], [14]]。
在众多候选正极材料中,聚阴离子化合物因其稳定的三维框架结构、可调的工作电压和良好的热稳定性而受到高度重视[[15], [16], [17], [18]]。其中,钠钒氟磷酸盐(Na?V?(PO?)?F?, NVPF)作为一种典型的NASICON结构材料脱颖而出。NVPF具有许多显著优势:高工作电压、相当的理论比容量(约128 mAh g?1)以及由[V?(PO?)?F?]3?聚阴离子单元通过PO?四面体连接形成的坚固三维框架,为Na?提供了广阔的扩散通道。同时,其低体积应变也确保了良好的循环稳定性[19]。然而,NVPF固有的低电子导电性、缓慢的钠离子扩散动力学以及循环过程中的潜在结构不稳定性严重限制了其高倍率性能[20]。尽管传统的改性策略如碳涂层和单元素掺杂可以部分改善导电性,但它们对离子扩散通道的优化效果有限,且难以同时解决结构稳定性和界面动力学的问题[21,22]。
高熵(HE)策略在材料科学领域展现了突破潜力[[23], [24], [25], [26]]。例如,Fu等人[24]通过高熵掺杂成功合成了Na?V?.?(Mg, Cr, Al, Mo, Nb)?.?(PO?)?F?。在5C速率下经过800次循环后,该材料表现出优异的性能提升:不仅显著提高了Na?的扩散系数和容量保持率(容量仅下降了17%),还有效抑制了低电压区域的副反应。同样,Yao等人[27]通过比较中等熵和高熵正极材料的结构和电化学性质,深入探讨了性能提升与熵效应之间的内在关系。表S1展示了各种正极材料的倍率性能比较。受这些研究的启发,本研究将高熵概念引入NVPF体系。我们旨在通过将多种过渡金属(如Ti、Mg、Mn、Cr、Zr)掺入钒(V)位点来实现可控的晶格工程。这一策略有望拓宽Na?的传输通道,降低迁移能垒,增强结构刚性以减轻充放电过程中的体积应力,并优化电极/电解质界面的离子扩散动力学。然而,关于钠离子电池正极的高熵设计研究仍处于初级阶段,尤其是对于NVPF体系[28,29]。为填补这一空白,本研究专注于设计和合成高熵改性的钠钒氟磷酸盐(NVPF)正极材料。我们成功制备了高熵掺杂的NVPF(NVPF-HE),并通过理论计算系统阐明了HE掺杂引起的晶格畸变、界面调制和动力学优化的机制。这项工作旨在为开发高能量密度、长循环寿命的钠离子电池提供新的见解。

章节片段

Na?V?.??(Ti, Mg, Mn, Cr, Zr)?.??(PO?)?F?的合成

Na?V?(PO?)?F? (NVPF)纳米材料是通过简单的溶胶-凝胶方法制备的。首先,按化学计量比将C?H?O?·H?O、NH?VO?、NH?H?PO?和NaF溶解在去离子水中。混合物在80°C的水浴中连续搅拌直至形成溶胶。随后,将溶胶转移到80°C的真空干燥箱中干燥12小时,然后研磨得到前驱体材料。最后,在Ar气氛中,前驱体在300°C下预烧4小时

结果与讨论

为了深入研究高熵掺杂对Na?V?(PO?)?F? (NVPF)正极材料晶体结构的影响,系统地进行了X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱表征。为了精确量化结构变化,对XRD数据进行了Rietveld精修。精修后的图案及详细数据分别显示在图1a、b和表S3中。如图S1所示,主要衍射峰

结论

总结来说,我们使用溶胶-凝胶方法成功制备了高性能的高熵掺杂正极材料Na?V?.??(Ti, Mg, Mn, Cr, Zr)?.??(PO?)?F? (NVPF-HE)。通过深入分析,我们发现高熵效应带来的结构-界面协同优化是其卓越性能的关键,显著提升了NVPF-HE的Na?体相扩散动力学和界面传输效率。实验结果强烈支持了这一点

CRediT作者贡献声明

陈和章:项目管理。王晨:撰写——初稿。韩帅:数据管理。文青:形式分析。李培尧:数据管理。郑俊超:概念构思。唐林波:撰写——审阅与编辑。黄英德:撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能被视为利益冲突的关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(项目编号:52104300、52404331、52504341)和山东省自然科学基金(项目编号:ZR2024QE305)的支持。
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