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AFM: 新型高性能钠双离子全电池

邃瞳科学云

2021-09-19

导读：本文通过对聚苯胺正极进行优化，应用于ClO4-的高效储存，实现正极高比容量，全面提升全电池的综合性能。

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通讯作者：焦丽芳教授

通讯单位：南开大学

论文DOI：10.1002/adfm.202107830

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区别于传统的“摇椅式”金属离子电池，由于正离子和负离子可以同时在正负极上分别参与电荷转移反应，双离子电池（DIBs）有望实现高能量/功率密度。钠离子储能装置是一种新兴技术，有望补充目前的锂离子电池资源有限等问题。然而，由于正极材料的不匹配和Na⁺动力学缓慢，使得DIBs在实际应用中难以进一步推广应用。近期，南开大学化学学院焦丽芳教授课题组通过对聚苯胺正极进行优化，应用于ClO₄^-的高效储存，实现正极高比容量，全面提升全电池的综合性能。

背景介绍

储能技术是维持可持续能源供应以满足不断增长的能源需求的关键，是当今最具挑战性的课题之一。钠离子储能装置作为锂离子电池的补充，已成为电化学能源工程领域的研究热点。新兴的钠基双离子电池(Na-DIBs)具有较高的安全性，Na⁺和阴离子同时参与电极电荷转移反应，相比较单一电解质离子从一极向另一极迁移，更易实现大功率的需求。石墨作为DIBs最常用的正极，主要缺点为容量有限。在较高的阴离子嵌入电压下，电解液发生严重不可逆分解，进而发生更多副反应。同时，由于阴离子体积较大，在阴离子嵌入/脱嵌时，石墨正极表现出较大的体积膨胀率。因此，开发并设计具有稳定和高性能正极至关重要。

聚苯胺（PANI）可以通过化学掺杂法使其具备不同氧化态。掺杂剂和共轭高分子间形成电荷转移，通过改变沿共轭主链的氮原子来调节聚苯胺的掺杂态。充分质子化的聚苯胺可以实现294 mAh g^-1的高理论比容量。同时，聚苯胺储存阴离子的氧化还原电位较为适中，可有效避免电解质的分解。但实际测试中，聚苯胺中丰富的氧化单元很大程度影响了其对阴离子的存储性能，实测比容量不到理论值的一半。因此，考虑用质子酸对聚苯胺（PANI）进行优化改性，进一步提高在双离子电池中的电化学性能。

图文解析

图1. 聚苯胺正极性能

图2. 电极动力学分析

图3. 原位FT-IR

图4. 全电池性能

总结与展望

在本研究中，P-PANI正极具有ClO₄^-可逆储存的特性，在0.2 A g^-1时比容量为210 mAh g^-1，在3 A g^-1时比容量为123 mAh g^-1。P-PANI具有丰富的活性位点和显著的电化学动力学，在2 A g^-1下循环2000次后，其可逆容量为103 mAh g^-1。通过一系列相关表征测试分析，明确了ClO₄^-的储存机理。基于P-PANI正极的优越性能，采用聚苯胺衍生硬碳（N-PDHC）负极组装全电池。P-PANI//N-PDHC全电池可提供284 Wh kg^-1的高能量密度和20100 W kg^-1的高功率密度。在工作电压1.5-4.0 V范围内可获得97 mAh g^-1可逆放电容量，并且库伦效率接近100%，与此前相关报道相比具有明显优势。装配的软包全电池可以稳定地为一部智能手机供电，进一步验证了其实用价值。因此，本研究通过对正极进行有效优化，有望为高能量/高功率钠基双离子全电池的开发与设计提供研究思路。

通讯作者介绍

焦丽芳，南开大学化学学院教授，博士生导师。主要研究方向为：新能源材料的储存与转化研究（包括：锂离子电池、钠离子电池及电催化制氢）。2016年获国家基金委优秀青年基金资助，2017年入选南开大学百名青年学科带头人，2019年获天津市自然科学一等奖（第一完成人），2020年获国家基金委杰出青年基金资助。以课题负责人身份主持国家 863 项目、国家自然科学基金，省部级科学基金等12 项科研课题；在Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Nano Lett.等期刊上发表论文200余篇。论文被他人引用13000余次，h-index为62。

文献来源

Zhiqin Sun et al., Lifang Jiao*, Optimized Cathode for High-Energy Sodium-Ion Based Dual-Ion Full Battery with Fast Kinetics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107830. DOI: 10.1002/adfm.202107830