湖南大学丁元力AFM:调节NMVP正极配位环境实现一步脱钠:为高功率和长寿命钠离子电池提供可能!

学术   2024-11-26 10:15   重庆  
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钠离子电池(SIBs)因其钠资源丰富、成本低廉以及相较于锂离子电池更高的安全性而受到广泛关注。然而,SIBs的实际应用仍受限于合适的正极和负极材料。目前,迫切需要开发高性能且价格合理的正极和负极材料以推动SIBs的商业应用。典型的正极材料主要包括普鲁士蓝类似物、层状过渡金属氧化物、有机正极材料和聚阴离子化合物。其中,钠超离子导体(NASICON)型聚阴离子化合物因其开放的三维离子扩散通道、高氧化还原电位和稳定的框架结构而受到相当关注。Na3V2(PO4)3(NVP)是一种典型的NASICON型聚阴离子化合物,具有117 mAh g1的理论比容量和3.4 V的氧化还原电位。然而,相对较低的工作电压(V4+/V3+:3.4 V)、高成本和钒的环境问题削弱了其在大规模储能领域的竞争力。因此,开发无钒或无钒的聚阴离子正极材料将是一种成本竞争趋势。近年来,Na4MnV(PO4)3(NMVP)已被证明是一种有前途的SIBs正极材料,因为它不仅具有更高的工作电压(Mn3+/Mn2+:3.6 V),而且还显著降低了成本,比NVP降低了35%,这对能源存储非常有利。NMVP通常在2.5-3.8 V的电压窗口内表现出3.4和3.6 V的两个电压平台,分别对应于V4+/V3+和Mn3+/Mn2+的氧化还原对。然而,这种正极材料仍存在一些关键问题:i)第二步脱钠的Na+扩散动力学缓慢。NMVP的Na(2)位点完全被Na离子占据,比NVP中有一个Na(2)空位的Na+扩散能垒更高。作为速率决定步骤,第二步脱钠(对应于Mn3+/Mn2+氧化反应)的化学扩散系数比第一步脱钠(对应于V4+/V3+氧化反应)低一个数量级以上,严重限制了Na+的迁移;ii)电子导电性低。被PO4隔开的VO6/MnO6八面体无法形成有效的电子传导连续路径,导致电子导电性差。这是几乎所有聚阴离子正极材料的共同问题;iii)结构稳定性不令人满意。Mn3+的Jahn-Teller(JT)畸变引起结构变化,不可逆的相变,导致循环性能差,尤其是在高温和高倍率下。   

湖南大学丁元力团队通过协同调节局部配位环境,分别在Mn位点和Na位点引入Zr4+和K+/Ca2+,实现了NMVP的一步脱钠反应。作为SIBs的正极,制备的Na3.3K0.1Ca0.1VMn0.8Zr0.2(PO4)3(NKCMVP-Zr0.2)在10 C下经过3000个循环后展现出92.7%的容量保持率,这比迄今为止报道的大多数NMVP正极材料都要优越。此外,该正极在1 C下经过1000个循环后在高温(50 ℃)下也展现出72.6%的高容量保持率,比没有Zr替代的NMVP(40.0%)高出约1.8倍。这些发现揭示了在NMVP中引入Zr4+可以有效地稳定晶体结构并抑制JT畸变。更重要的是,Zr替代可以改变NMVP的钠离子脱插层机制,将原来的两步脱插层反应转变为一步反应。基于恒电位间歇滴定技术(GITT)分析,Zr替代NMVP中第二步脱钠的Na+离子的化学扩散系数约为1.01 × 10−10 cm2 s−1,几乎与第一步脱钠反应相同。还采用了密度泛函理论(DFT)计算来揭示Zr替代对调节Mn位点的局部配位环境的积极影响,以减少带隙、抑制JT畸变和降低Na+扩散能垒。这项工作提供了一种简便有效的策略,通过实现NMVP正极的一步脱钠,显著增强Na+扩散动力学和结构稳定性,以实现高倍率和长寿命的SIBs。
该成果以 "Enabling One-Step De-Sodiation of Na4MnV(PO4)3 Cathode via Regulating Coordination Environment for High-Power and Long-Lasting Sodium-Ion Batteries" 为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊,第一作者是Chen Can。

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【工作要点】
本文通过在Na4MnV(PO4)3(NMVP)正极材料中引入Zr4+离子来调节Mn位点的配位环境,以及在Na位点引入K+/Ca2+离子,成功实现了NMVP正极材料的一步脱钠反应。这种材料改性显著提高了Na+的扩散能力,并有效抑制了Mn3+的Jahn-Teller畸变。重要的是,这种材料改性显著促进了NMVP中第二步Na+的扩散,实现了整个Na+提取过程的一步完成,这通常涉及一个典型的两步反应,Na+扩散系数的差异达到一个数量级。此外,通过K+和Ca2+对Na位点的调制也可以改变Na-O的局部配位环境,从而增强Na+的迁移。Zr4+在Mn位点的调制不仅提高了Na+的扩散动力学,还抑制了Mn的JT畸变,显著增强了材料在反复Na+插入/脱出过程中的结构稳定性,从而实现了优异的循环寿命。作为SIBs正极材料评估时,优化后的Na3.3K0.1Ca0.1Mn0.8VZr0.2(PO4)3(NKCMVP-Zr0.2)展现出了73 mAh g−1(15 C)的比容量,在3000个循环后(10 C,室温)容量保持率为92.7%,以及在1000个循环后(1 C,50℃)容量保持率为72.6%的优异性能。这些发现为设计和优化具有一步脱钠反应的插层型正极材料提供了新的可能性,并通过调节TM位点的配位环境,为设计具有高倍率能力和长循环寿命的可充电电池的先进正极材料提供了指导。    
图1:不同NMVP正极材料在Zr4+替代Mn位点和K+/Ca2+替代Na位点后的晶体结构表征。a) XRD图谱,标识的(104)衍射峰,标识的约16°处的衍射峰,以及标识的约32.3°处的衍射峰;b) 对应于a)的部分放大的XRD图谱;c) NKCMVP的Rietveld精修图;d) NKCMVP-Zr0.2的Rietveld精修图;e) NKCMVP和NKCMVP-Zr0.2的晶格参数;f) NKCMVP-Zr0.2的晶体结构示意图。    
图2:NKCMVP和NKCMVP-Zr0.2的拉曼图谱、XPS总谱、V 2p高分辨XPS谱图、Mn 2p高分辨XPS谱图、Zr 3d高分辨XPS谱图和C 1s高分辨XPS谱图;以及NKCMVP和NKCMVP-Zr0.2的Mn L 2,3边和V L 2,3边XAS谱图。    
图3:NKCMVP-Zr0.2的微观形貌。a) SEM图像;b) TEM图像(插图显示粒径分布);c) 对应于b)的部分放大的TEM图像;d) HRTEM图像;e) 快速傅里叶变换(FFT)图像;f) 晶格条纹图像;g) 在[-2, 2, -1]区域轴上的选区电子衍射(SAED)图像,以及TEM元素分布图。    
图4:NKCMVP、NKCMVP-Zr0.05、NKCMVP-Zr0.1、NKCMVP-Zr0.2、NKCMVP-Zr0.3和NKCMVP-Zr0.5的电化学性能。a) 初始库仑效率;b) 25℃时的首次充放电曲线;c) dQm/dV曲线;d) NKCMVP的GITT曲线和钠离子扩散系数;e) NKCMVP-Zr0.2的GITT曲线和钠离子扩散系数。
图5:NKCMVP、NKCMVP-Zr0.05、NKCMVP-Zr0.1、NKCMVP-Zr0.2、NKCMVP-Zr0.3和NKCMVP-Zr0.5的电化学性能。a) 倍率性能;b) Ragone图;c) 1C下的长期循环稳定性;d) 10C下的长期循环稳定性;e) 50℃下的长期循环稳定性。    
图6:NKCMVP和NKCMVP-Zr0.2电极在0.1C下首次循环期间的原位XRD图谱。a) NKCMVP的原位XRD图谱;b) NKCMVP-Zr0.2的原位XRD图谱。NKCMVP-Zr0.2的原位XPS谱图。c) V 2p谱图;d) Mn 3s谱图;e) Mn 2p谱图;f) Zr 3d谱图。    
图7:Na4VMn(PO4)3和Na3.6VMn0.8Zr0.2(PO4)3的结构模型和态密度(DOS);Na2VMn(PO4)3和Na1.6VMn0.8Zr0.2(PO4)3的结构模型和DOS;Na4VMn(PO4)3/脱钠Na2VMn(PO4)3中MnO6八面体的结构模型图以及Na3.6VMn0.8Zr0.2(PO4)3/脱钠Na1.6VMn0.8Zr0.2(PO4)3中MnO6八面体的结构模型图;Na+从Na(2)位点到Na(1)位点在Na3.6VMn0.8Zr0.2(PO4)3中的迁移路径图及其迁移能垒。    
图8:NKCMVP-Zr0.2正极//HC负极钠离子全电池的示意图;NKCMVP-Zr0.2正极和HC负极的充放电曲线;NKCMVP-Zr0.2正极//HC负极全电池在0.1C下的充放电曲线;全电池在1C下的循环性能。
【结论】
总之,通过在SIBs的NMVP正极中引入Zr4+来调节Mn位点的配位环境,成功实现了NMVP正极的一步脱钠。基于DFT理论计算、原位XRD和电化学评估(包括GITT、充放电测试等),Zr4+的引入有效地降低了Na+扩散能垒,并显著提高了第二步Na+脱钠反应中的Na+迁移能力,实现了NMVP正极材料通常涉及的典型两步反应的整个Na+提取过程的一步完成,其中Na+扩散系数通常相差一个数量级。此外,通过K+和Ca2+对Na位点的调制也可以改变Na-O的局部配位环境,从而增强Na+迁移。Zr4+在Mn位点的调制不仅提高了Na+扩散动力学,还抑制了Mn的JT畸变,显著增强了材料在反复Na+插入/脱出过程中的结构稳定性,从而实现了优异的循环寿命。当评估为SIBs正极时,所得到的NKCMVP-Zr0.2展现出了最优化的钠存储性能,具有73 mAh g−1(15 C)的比容量,在室温下10 C经过3000个循环后容量保持率为92.7%,在50℃下1 C经过1000个循环后容量保持率为72.6%。发现为设计和优化具有一步脱钠反应的插层型正极材料提供了可能性,并通过调节TM位点的配位环境,为设计具有高倍率能力和长循环寿命的可充电电池的先进正极材料提供了指导。    
Can Chen, Liqun Wang, Zhihao Deng, Xueling Kong, Tianyi Zhang, Qinqin Yu, Zuyong Wang, Peining Zhu, and Yuan-Li Ding, "Enabling One-Step De-Sodiation of Na4MnV(PO4)3 Cathode via Regulating Coordination Environment for High-Power and Long-Lasting Sodium-Ion Batteries," Adv. Funct. Mater. 2024, 2418642.
DOI: 10.1002/adfm.202418642.
         

 

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