吕建国/张利强/周亮/叶志镇 Chemical Engineering Journal: 超快充、宽温域、长寿命钠离子电池负极材料

【引言】

随着现代社会的快速发展，从便携式电子设备、电动汽车到工业设备，都迫切需要高性能的储能设备。为了满足这些巨大的需求，人们提出了各种电化学储能系统，包括超级电容器(SCs)、锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(SIBs)、金属硫电池和金属空气电池。SCs具有较高的功率密度，但它们的能量密度相当低。目前的锂离子电池还存在着充电时间长、低温续航时间短、锂元素成本高等明显缺点。当然，理想的充电电池应该具有比容量高、循环稳定性好、充电时间短、初始库伦效率高、工作温度范围宽、成本低等优点。遗憾的是，目前很难有储能系统能够同时满足上述要求。

近年来,由于地球上有丰富的钠元素资源(2.36×10⁴mg/kg)和低廉的原材料成本(Na₂CO₃: ~ 200 $/t, Li₂CO₃:~ 10000 $/t)，使得钠离子电池有望成为下一代能量存储装置。但较大的钠离子半径(1.02 Å)和摩尔质量(22.99 g/mol)极大地影响了Na⁺在电极材料中的扩散速率和钠离子电池的能量密度。对于钠离子电池的发展，主要的难点是目前的材料很难在大电流密度下保持良好的循环稳定性，而且难以适应极端的低温环境。

近年来，为了解决这一问题，人们探索了基于插层、合金化和转化反应的负极材料。其中，过渡金属硫族化合物作为一种转化型负极材料，逐渐引起了人们的广泛关注。与氧化物和硫化物相比，过渡金属硒化物具有更高的电导率和更快的转化反应动力学，有望成为稳定的快充钠离子电池电极材料。

【成果简介】

近期，浙江大学材料学院叶志镇院士团队的吕建国副研究员、燕山大学张利强教授、武汉理工大学周亮教授合作研发了三维的FeSe₂/rGO复合材料，具有优异的电化学性能，有望成为下一代储能系统的理想选择。FeSe₂/ rGO作为钠离子电池负极材料，具有优异的倍率性能(205.0 mAh g⁻¹at 75 A g^–1vs 458.6 mAh g^–1at 0.5 A g^–1)，超级稳定的循环性能(417.7 mAh g–1 after 6000 cycles at 5 A g–1，每圈衰减率仅为0.0006%)，并且在较宽的温度范围内(-40至60°C)都具有良好的稳定性。此外，FeSe₂/rGO// Na₃V₂(PO₄)₃/C全电池在电流密度为0.15 A g^-1(286 W kg^-1)时，循环200次后，其能量密度仍然有145 Wh kg-1。这表明，FeSe₂/rGO复合材料作为钠离子电池负极具有良好的电化学性能，是下一代储能系统的理想选择。

【图文导读】

图1.FeSe₂/rGO的结构和形貌. a, XRD 图谱. b,c, SEM 照片. d, TEM 照片. e, SAED图像. f, 能谱。

图2.FeSe₂/rGO XPS 和 Raman图谱. a, Fe 2p. b, Se 3d. c, C 1s. d 和e, Raman 图谱。

图3. FeSe₂/rGO作为钠离子电池负极的电化学性能。a, 电流密度为0.5 A g^-1的循环性能。b、不同周期的充放电曲线。c,倍率性能。d，与其他的钠离子电池阳极材料对比的速率性能。e，在5 A g^-1的大电流密度下的长循环性能。

图4. FeSe₂/rGO负极在高/低温下的电化学性能a，循环性能；b，不同温度下对应的充/放电曲线。c, 60 °C的循环性能。d，−40 °C的循环性能。

图5. a，在0.15 A g^-1的电流密度下， FeSe₂/rGO//NVP/C的全电池的循环性能。b、FeSe₂/rGO//NVP/C全电池的充/放电曲线。负载量是基于FeSe₂/rGO和NVP/C质量之和。

图6. FeSe₂/rGO负极的动力学研究。a，不同扫描速率下的CV曲线。b, log i与log v的关系c, 循环不同次数后的Nyquist图，d，对应的w^1/2对−Z″的拟合线。

图7. FeSe₂/rGO与Na的原位电化学反应的TEM和SAED图像。a, 反应前TEM和b, SAED的图像。c, TEM和d，SAED的图片，电压为-2 V。e, TEM和f, SAED图像，电压为-2.5 V。g, TEM和h, SAED图像，电压为-3.0 V。

该工作以An ultra-stable anode material for high/low-temperature workable super-fast charging sodium-ion batteries为题目发表于《Chemical Engineering Journal》。论文第一作者为浙江大学材料科学与工程学院博士生田杨。浙江大学吕建国副研究员、燕山大学张利强教授、武汉理工大学周亮教授和浙江大学叶志镇院士为共同通讯作者。

文献链接：An ultra-stable anode material for high/low-temperature workable super-fast charging sodium-ion batteries,Chemical Engineering Journal, 422 (2021) 130054.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721016399?dgcid=author

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