Fe/V比例——采用静电纺丝纳米纤维模板技术制造的NASICON阴极，用于提高钠离子电池的寿命

《Chemistry of Materials》：Fe/V Ratio-Engineered NASICON Cathodes with Electrospun Nanofiber Templating for Long-Life Na-Ion Batteries

　　

摘要

聚阴离子钠（Na）超离子导体（NASICON）正极由于其坚固的三维结构以及快速的Na⁺传输特性，非常适用于钠离子电池。NASICON的基准材料Na₃V₂(PO₄)₃具有接近理论值的双电子容量，但受钒的成本/毒性和有限的电子导电性的限制。为了使用地球上丰富的、环保的氧化还原中心（Fe³⁺/Fe²⁺）同时保持钒的活性，我们系统地在Na_3+xFe_xV_2–x(PO₄)₃（其中x = 0.5、0.75、1.25和1.5）中引入并调整了铁（Fe）的含量，以增加钠的含量并利用铁和钒之间的协同效应。我们采用了一种“原位”电纺模板法，通过电纺纤维形成相互连接的NFVP网络，从而提供连续的电子路径和机械稳定性。由于直接制备纯相NFVP存在困难（通常会产生副相），这种模板合成方法结合成分控制成为获得纯相、低钒含量的NASICON结构的有效途径。在所有系列材料中，Na_3+xFe_xV_2–x(PO₄)₃（其中x = 0.75）展现出最佳的电化学性能和耐用性：在0.5C电流下放电时容量为78 mAh g^–1，经过1000次循环后容量仍保持在90.5%；在2C电流下放电时经过1500次循环后容量仍保持在88%。原位X射线吸收近边结构检测结果显示，在不同的充放电电压平台下，Fe和V的K边能量会发生可逆变化，这证实了在应用电压范围内Fe²⁺/Fe³⁺和V³⁺/V⁴⁺的氧化还原反应具有高度的可逆性。这些结果表明，通过成分调控优化得到的低钒含量、富铁的NASICON正极具有良好的电化学性能和循环稳定性，是一种稳定且成本低廉的钠离子电池正极材料。