【钠电】Angew：用于高倍率长循环钠离子电池的蛋黄壳结构FePO4正极- 大数跨境

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【钠电】Angew：用于高倍率长循环钠离子电池的蛋黄壳结构FePO4正极

科学材料站

2020-07-14

导读：本文作者展示了一种多步骤模板法，巧妙地制备非晶态FePO4蛋黄壳纳米球，其中介孔纳米蛋黄支撑在坚固的多孔外纳米壳内。独特的结构和大的比表面积使这些非晶态FePO4蛋黄壳纳米球表现出显著的储钠性能，具有

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作者：周小四*、沈健*

单位：南京师范大学

导读

非晶态磷酸铁（FePO4）具有较高的理论比容量和优异的电化学可逆性，是一种很有前途的钠离子电池正极材料。然而，低倍率性能和容量快速下降严重阻碍了其在系统重要性银行中的实施。

基于以上现状，南京师范大学的周小四教授和沈健教授等在国际知名期刊Angew. Chem.上发表题为“A Yolk−Shell Structured FePO4 Cathode for High-Rate and Long-Cycling Sodium-Ion Batteries”的论文。Zhuangzhuang Zhang和Yichen Du共同为本文第一作者。

图1. 图片概要

在本文中，作者展示了一种明智的多步骤模板法，巧妙地制备非晶态FePO4蛋黄壳纳米球，其中介孔纳米蛋黄支撑在坚固的多孔外纳米壳内。其独特的结构和大的比表面积使这些非晶态FePO4蛋黄壳纳米球表现出显著的储钠性能，具有高可逆容量、优异的倍率性能和超长的循环寿命。

背景简介

1. 非晶态FePO4在钠离子电池的研究

与占主导地位的锂离子电池相比，钠离子电池（SIB）具有成本低、自然丰度高的优点，作为一种经济的电化学储能系统的潜在候选材料受到了越来越多的关注。

寻找高性能的正极材料是实现这一目标的关键促进SIBs的大规模应用。得益于高理论容量和优异的氧化还原可逆性，非晶态FePO4已被报道为一种可行的钠存储正极材料，在Na+插入/提取过程中，其电子电导率低，体积变化超过22%，导致倍率能力差，循环性能不稳定。

合理的纳米结构设计和碳装饰是解决上述问题从而改善电化学性能的两种有效策略。例如，复合纳米结构的形成已被证明是提高钠离子电池性能的一种成功策略，因为它们具有协同作用从不同的结构。

2.纳米结构单元的研究

由纳米结构单元构建的层次复杂结构已显示出出色的储钠性能。具有大表面积的复杂结构可显著提高电解质的完全润湿性，并减轻Na+吸收/去除过程中的机械应力。此外，纳米结构单元可以有效地缩短电子/离子的传输路径，从而获得更高的倍率能力。虽然已经取得了重大进展，但是合成具有复杂纳米结构和改善储钠性能的非晶态FePO4的报道很少

核心内容

在这项工作中，作者报告了一种简单的模板法，通过适当控制碳纳米球的酸化来制备非晶态FePO4蛋黄壳纳米球（YSNSs）。首先，通过仔细调节HNO3浓度以酸化CNSs模板，在水热法制备的碳纳米球（CNSs）上形成一个由NO2基团组成的壳。随后， CNSs@ NO2核-壳纳米球与Fe2+配位，然后与PO43-反应，然后与H2O2氧化以获得CNSs@NO2@FePO4纳米球。最后，得到CNSs@NO2@FePO4通过空气煅烧将纳米球转化为非晶态FePO4-YSNSs。所合成的非晶态FePO4-YSNSs同时结合了成分和结构设计的合理性，成为SIBs的一种高效正极。结果表明，获得的FePO4 -YSNSs在大的可逆容量、倍率特性好、循环稳定性高等优点。

图二.

a) FESEM image and b),c) TEM images of FePO4 HNSs.

d) FESEM image and e),f) TEM images of FePO4 SNSs.

g),h) N2 adsorption-desorption isotherm and the relevant pore size distribution of FePO4 YSNSs, FePO4 HNSs, and FePO4 SNSs.

i)−k) Contact angle measurements between the electrolyte and (i) FePO4 YSNSs, (j) FePO4 HNSs, and (k) FePO4 SNSs

文章链接:

A Yolk−Shell Structured FePO4 Cathode for High-Rate and Long-Cycling Sodium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008318

导师简介:

周小四教授

周小四教授主要从事二次电池电极材料研究，博士毕业于中国科学院化学研究所，主持国家自然科学基金2项、江苏省自然科学基金青年基金1项和南京师范大学百人计划1项，截至目前共发表SCI收录论文45篇、中文核心2篇，其中第一/通讯作者论文42篇，第一/通讯作者论文中影响因子在8.0以上的有15篇，包括1篇Joule（Cell姐妹刊）、2篇Adv. Mater.（IF: 19.791）、3篇Adv. Energy Mater.（IF: 16.721）、1篇Chem. Mater.（IF: 9.466）、8篇J. Mater. Chem. A（IF: 8.867）和1篇Small（IF: 8.643）。自2013年9月进入我校以来，已经在Adv. Mater.等杂志发表第一/通讯作者论文27篇。所发表论文共被他引3400余次，ESI高被引论文10篇，有9篇第一作者研究论文被他引100次以上，其中单篇最高他引520次，个人h因子为33。

沈健教授

沈健教授一直从事于表（界）面化学和功能高分子复合材料的科研工作，主持了14项国家和部省级科研项目和6项较大规模的横向科研项目；通过省（部）级鉴定8项；在国内外核心刊物上发表研究论文370多篇，其中被SCI收录论文300余篇，参编专著3本，授权发明专利60项。有9项成果应用于生产，已累计新增产值250多亿元。培养了博士后6名，研究生近100名：其中3名获南京大学优秀博士后，1名获第二届挑战杯中国大学生创业计划竞赛金奖、3名获第4-6届挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。1996年被评为“1992-1996年度江苏省科技成果向生产力转化先进个人”；1997年开始享受国务院政府特殊津贴；1998年被共青团中央、国家科技部、全国青联联合授予第三届中国优秀青年科技创业奖；2002年被授予“江苏省有突出贡献中青年专家”；2003年被评为第五届南京市“十大科技之星”；2004年被评为“首届江苏省十大杰出专利发明人”；2009年获江苏省科学技术进步一等奖；2010年获教育部自然科学一等奖，2013年获中国石油化工联合会技术发明一等奖；2016年获教育部第五届全国教育科学研究优秀成果一等奖及江苏省教育科学研究优秀成果一等奖；2017年获江苏省教学成果一等奖。近年来，共获省部级科研技术奖励一等奖3项，二等奖2项，三等奖2项，2次被共青团中央、国家科技部、中国科协授予优秀园丁奖，获省部级教学成果一等奖3项。在国内外核心刊物上发表研究论文370多篇，其中被SCI收录论文300余篇，包括CHEMICAL REVIEWS, ADVANCED MATERIALS, BIOMATERIALS等国际重要学术期刊。