Laut einer kürzlich veröffentlichten Studie in Fortgeschrittene Wissenschafthaben Wissenschaftler erfolgreich die spezifische Kapazität von Na3V2(PO4)3 (NVP), einem neuen Elektrodenmaterial, verbessert. Sie fanden auch sein relativ exotisches extrinsisches Pseudokapazitätsverhalten.
Diese Arbeit, die von einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Zhao Bangchuan von den Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurde, aktiviert effektiv die M1-Stelle in der Struktur von NVP, indem sie die Kristallinität des Materials reduziert und das Reversible realisiert Einfügung und Entfernung von drei Natriumionen.
NVP hat eine hexagonale NASICON-Struktur (oder Natriumsuperionenleiter). Natriumionen besetzen zwei ungleiche Wyckoff-Plätze, von denen sich 1/3 auf der 6b-Position (M1) und 2/3 auf der 18e-Position (M2) befinden. Vom Standpunkt des thermodynamischen Gleichgewichts und der Kinetik sind Natriumionen an der M1-Stelle schwierig in die Redoxreaktion einzubeziehen. Während der Lade- und Entladevorgänge gibt es keine elektrochemische Reaktivität.
Die reversible Insertion und Entfernung von Natriumionen findet nur an der M2-Stelle statt. An der elektrochemischen Reaktion sind über das Redoxpaar V4+/V3+ nur zwei Natriumionen beteiligt. Daher beträgt die theoretische spezifische Kapazität von NVP nur 117,6 mAh g-1. Ob die spezifische Kapazität von NVP durch Aktivierung der M1-Stelle und Verwendung der V5+/V4+-Redoxreaktion verbessert werden kann, ist eine große Herausforderung auf diesem Gebiet.
In dieser Arbeit wurde ein NVP-Vorläufer durch ein elektrostatisches Sprühverfahren auf einem Kohlenstoffschaumsubstrat abgeschieden, und die Kristallinität von NVP wurde durch Steuern der Glühtemperatur eingestellt. Zwei NVP-Materialien, NVP-E600 und NVP-E700, wurden erhalten. Die entsprechenden Glühtemperaturen betrugen 600 bzw. 700 Grad Celsius.
Mit NVP-Material mit koexistierender Struktur aus nanokristalliner und amorpher Phase als Kathode und dem metallischen Natriumblech als Gegenelektrode wurde eine Zelle vom Knopftyp zusammengebaut und ihre Natriumspeicherleistung wurde bewertet.
Die Ergebnisse zeigten, dass das NVP-Material mit koexistierender Struktur aus nanokristalliner und amorpher Phase aufgrund der reversiblen De-Insertion von drei Natriumionen eine hervorragende Ratenleistung und Zyklenstabilität aufwies. Es zeigte eine spezifische Kapazität von 179,6 mAh g-1 bei 0,2 C (1 C = 117,6 mA g-1), und die Kapazitätserhaltungsrate beträgt 99,6 % nach 200 Zyklen. Auch bei hohen 10 C hat es eine spezifische Kapazität von 73,5 mAh g-1.
Die Testergebnisse des elektrochemischen Impedanzspektrums und zyklischer Voltammetriekurven zeigen, dass dieses ungeordnete NVP-Material eine starke elektrochemische Reaktionskinetik aufweist und die Ladungsspeicherung hauptsächlich pseudokapazitiv war, was sich stark von dem kristallinen NVP mit batterieartigem Ladungsspeicherungsverhalten unterscheidet.
Das extrinsische Pseudokapazitätsverhalten in dem stark ungeordneten Material kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass die Einführung einer ungeordneten Struktur die Wechselwirkung zwischen Natriumionen in NVP-Materialien verändert, wodurch sich der Lade-Entlade-Prozess von der ursprünglichen zweiphasigen Reaktion zu einer einphasigen ändert Reaktion. Dies verursacht das Verschwinden der Plattform in den Lade-Entlade-Kurven und dem Rechteck der Cyclovoltammetrie-Kurven.
Dies demonstriert die Bedeutung der ungeordneten Struktur für den Drei-Elektronen-Reaktionsprozess und die extrinsische Pseudokapazität in NVP-Kathoden von Natrium-Ionen-Batterien, so das Team.
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Hongyang Ma et al, Kristallinitätsabstimmung von Na3V2(PO4)3: Entsperren der Natriumspeicherkapazität und Induzieren des Pseudokapazitätsverhaltens, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/advs.202203552