我院在高性能鈉離子全電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
近日，我院吳興隆副教授研究小組在材料類國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Energy Materials（2018, 10.1002/aenm.201703252，影響因子：16.721）上發(fā)表了題為“An Ultralong Lifespan and Low-Temperature WorkableSodium-Ion Full Battery for Stationary Energy Storage”的文章，成功設(shè)計(jì)了一類新型鈉離子全電池，表現(xiàn)出超長(zhǎng)循環(huán)壽命以及優(yōu)異低溫和倍率性能。由于研究成果具有明顯應(yīng)用性且達(dá)到實(shí)用化水平，在論文發(fā)表之前，還申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利4項(xiàng)。
本研究工作以前期開發(fā)的高比能Na3V2(PO4)2O2F材料（簡(jiǎn)寫為NVPOF，Advanced Materials 2017,29, 1701968和Advanced Energy Materials 2018,8, 1702504）為正極，新制備的3DSG納米復(fù)合材料為負(fù)極，設(shè)計(jì)裝配了工作機(jī)理如圖1a所示的高性能鈉離子全電池3DSG//NVPOF。圖1b為所得3DSG//NVPOF鈉離子電池的比容量隨電流密度的變化情況?？梢?jiàn)，在0.02 A g-1這樣的低電流密度下，3DSG//NVPOF的比容量達(dá)128.1 mA h g-1；當(dāng)電流密度逐漸增加至2 A g-1或4 A g-1，其比容量仍可為83.1或72.7 mA h g−1。以電流密度為2 A g-1進(jìn)行舉例計(jì)算，與0.02 A g-1相比，盡管電流密度增加了100倍，其容量損失率僅為35.1 %。表明裝配的3DSG//NVPOF鈉離子全電池具有優(yōu)異的倍率性能。更重要的是，該3DSG//NVPOF電池表現(xiàn)出超長(zhǎng)的循環(huán)壽命。例如，在室溫和1 A g-1的電流密度下循環(huán)15000次后，其容量保持率仍高達(dá)86.3%。如果以容量保持率為80%作為電池壽命的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照使用過(guò)程中每天進(jìn)行1次完全充放電進(jìn)行計(jì)算，該電池的使用壽命可達(dá)60年以上。
圖1. 3DSG//NVPOF鈉離子全電池在室溫條件下的儲(chǔ)能性能：（a）工作原理示意圖；（b）不同電流密度下測(cè)試所得的倍率性能；插圖為單片軟包電池可點(diǎn)亮47個(gè)綠色LED燈泡組成的顯示屏；（c）在電流密度1 A g-1下的循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果。
除了室溫下的優(yōu)異高倍率和長(zhǎng)循環(huán)壽命外，如圖2所示，所裝配3DSG//NVPOF鈉離子全電池還表現(xiàn)出非常優(yōu)異的低溫儲(chǔ)能性能。以0.04 A g-1的電流密度為例，以25 °C下的比容量為標(biāo)準(zhǔn)，15 °C，5 °C，-5 °C，-15 °C和-25 °C下的容量保持率分別為~97.8 %，97.5 %，85.5 %，75.1 %和60.7 %。圖2c還進(jìn)一步給出了3DSG//NVPOF鈉離子全電池在不同溫度下的循環(huán)性能?？梢钥闯?，在0.4 A g-1這一電流密度的測(cè)試條件下，隨著測(cè)試溫度從25°C逐漸降低到15 °C，5 °C，-5 °C，-15 °C和-25 °C，經(jīng)過(guò)1000圈循環(huán)后，相應(yīng)的容量保持率值分別為96%，95%，90%，94%，89%和75%，表明該電池還可在低溫下長(zhǎng)時(shí)間地循環(huán)使用。
圖2.3DSG//NVPOF鈉離子全電池的低溫儲(chǔ)能性能：（a）容量保持率隨電流密度和溫度的變化情況；不同溫度下（b）功率密度和能量密度之間的關(guān)系以及（c）循環(huán)穩(wěn)定性能。
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