通讯作者:杨全红,王大伟 单位:天津大学,新南威尔士大学 由于钠资源的极大丰富,钠离子电池(SIBs)被认为是一种很有前途的大规模储能电池。氧化还原电位可调、结构刚度低的有机电极材料具有容量大、成本低、安全性好等优点,是很有潜力的钠离子电池负极材料。 然而,仍然存在应用瓶颈。首先,有机电极材料在电解液中的溶解度较高,不可避免地导致活性物质的损失和稳定性差。其次,有机电极的导电性较差,需要较高比例的导电添加剂(>40%)。第三,有机材料与电解质的不可逆界面反应限制了初始库仑效率(ICE)。这些问题导致了有机负极循行性能差,首次库伦效率低,抑难以满足实用化需求。 近日,天津大学杨全红教授、新南威尔士大学王大伟副教授在国际顶级期刊Nano Energy (影响因子:16.602) 上发表题为“High-performance graphene/disodium terephthalate electrodes with ether electrolyte for exceptional cooperative sodiation/desodiation”的研究工作。 该工作中,自组装石墨烯/对苯二甲酸二钠(Na2TP)电极具有极高的Na2TP负载量(高达88.60%),并具有较好的导电性;醚类电解液有助于提升脱嵌钠的动力学行为。这种电极/电解质综合设计方案实现了245 mAh g−1的高可逆容量,初始库仑效率为82.3%。该文章作者为清华-伯克利深圳学院张思伟博士,曹腾飞博士,吕伟副研究员等,杨全红教授和王大伟副教授为本文共同通讯作者。 要点一:结构、形貌表征
图1. (a) Na2TP和Na2TP/G的XRD图谱和(b)FTIR光谱 (c)SEM图像 (d)TEM图像 (e)Na2TP/G的元素映射图 (f)Na2TP/G (G)机械混合Na2TP和rGO在不同电解质中的Nyquist图。 要点二:电化学性质
图2. (a) 电流率为30 mA g−1时,EC/DEC和二甘醇二甲醚电解质中Na2TP/G的恒流充放电曲线 (b)不同电解液中Na2TP/G前两个循环放电容量的比较 (c)扫描速率为0.1 mV s−1的不同电解液中Na2TP/G的CV曲线 (d) 不同电流速率下Na2TP/G在EC/DEC和二甘醇二甲醚电解质中的恒流充放电曲线。 要点三:不同电解质中循环后Na2TP / G的形貌与元素分布 图3. Na2TP / G在(a)(c)EC / DEC基电解质和(b)(d)二甘醇二甲醚电解质经过10个循环后的SEM和TEM图像
(e)EC / DEC和(f)二甘醇二甲醚基电解质中的高分辨率映射图像; 在EC / DEC和二甘醇二甲醚基电解质中经过10个循环后的原始Na2TP / G和Na2TP / G的XPS光谱:(g)C 1s,(h)O 1s和(i)Na 1s。 要点四:不同电解质中Na2TP/G的电化学性质
图4. Na2TP/G在不同电解液中的CV曲线:EC/DEC电解液中的第1-3个循环,二甘醇二甲醚基电解质的第4-10个循环,EC/DEC基电解质的第11-15个循环。a,b和c分别为第3、10、15个循环。 要点五:储钠示意图与性能比较
图5. (a) 使用选定的电解质系统在Na2TP中存储Na的示意图 (b) Na2TP/G与最近报道的有机负极材料储钠性能的比较。比容量是根据负极材料的质量计算的,包括活性材料、导电添加剂和粘合剂。 综上所述,为提高有机负极的利用率,作者进行了系统的设计。采用不溶性Na2TP与rGO杂化,构建了一种不含导电添加剂和粘合剂的自支撑电极,有机物负载率高达88.6%。此外,首次将乙醚基电解质应用于SIBs的有机负极上,由于SEI更致密,其首次库伦效率达到82.3%,并通过从两步到一步的钠化/脱盐机理的转化,改善了钠的储存动力学。 文章链接: High-performance graphene/disodium terephthalate electrodes with ether electrolyte for exceptional cooperative sodiation/desodiation
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