前方高能！钠电正极材料：P2-Na0.7CoO2微球

近年来人们对锂硫、锂空气和钠离子电池（SIBs）研究逐渐增多，就是为了替代价格高昂的锂离子电池。SIBs在过去十年中引起了越来越多的关注，研究发现的正极材料有磷酸盐、亚铁氰化物和层状金属氧化物，但是它们的综合性能在SIBs的实际使用中仍然不能令人满意。由于储量丰富和含有多种电化学活性元素，层状金属氧化物被认为是最有希望作为SIBs正极材料的物质，包括O3和P2型结构。相比于O3型材料低的理论比容量，P2型材料具有更高的理论比容量引起广泛关注，但其在脱嵌过程中发生相转变造成循环性能较差。目前P2型材料的改性主要关注在活性金属中心和比例，鲜有通过调整形貌提升性能。近期，南洋理工大学楼雄文课题组从材料形貌角度入手提升P2型材料电化学性能，合成一种均匀的P2-Na0.7CoO2微球，用于SIBs正极表现出极好的电化学性能。该成果于2017年发表在Angew. Chem. Int. Ed.（IF=11.709）上。

图1. P2-Na0.7CoO2微球合成示意图

图2. a）CoCO3和b）Co3O4微球的FESEM图像。c）P2-Na0.7CoO2微球的XRD图; 插图是P2-Na0.7CoO2相应的晶体结构。P2-Na0.7CoO2微球的d，e）FESEM图像和f）HRTEM图像

作者首先将水热法合成的CoCO3微球在空气中煅烧从而转化为Co3O4微球，然后把Co3O4微球在适量的Na2CO3中高温反应，最终得到P2-Na0.7CoO2微球。即使通过高温反应，P2-Na0.7CoO2仍保有规则的球形形貌，用作钠离子电池正极活性材料表现出极好的电化学性能。P2-Na0.7CoO2电极在0.04C、0.08C、0.16C、0.4C、0.8C、1.6C、2.4C、4C和8C倍率下的平均可逆容量分别为125、121、119、114、112、109、106、98和84mAh/g。即使在高达16C（大约2分钟内充电/放电）的情况下，可逆容量仍高达64 mAh/g。当电流密度降低到0.16C时，可逆容量可以恢复到117 mAh/g，这表明显示P2-Na0.7CoO2具有良好的循环可逆性。另外，在0.4C的倍率下，循环300次后的容量保持率为86%，意味着每个循环的平均容量损失为0.046％。

图3. a）s-NCO电极的循环伏安图，扫描速率为0.1 mV/s。b）0.04C倍率下s-NCO电极的充/放电曲线。c）s-NCO和i-NCO的倍率性能。d）s-NCO在不同倍率下的充/放电曲线。e）s-NCO和i-NCO在0.4C倍率下的循环性能（注：1 C = 125 mA/g；s-NCO：球形P2-Na0.7CoO2；i-NCO：不规则形貌P2-Na0.7CoO2）

P2-Na0.7CoO2表现出如此极好的电化学性能，作者也给出了解释：由于P2-Na0.7CoO2高的结晶度和均匀的微球结构，可以有效的缓冲由Na+离子插入/脱嵌引起的机械应力。它还可以最小化活性材料与电解质的接触面积，从而减少不必要的副反应和活性材料的溶解。

Yongjin Fang, XinYao Yu, Xiong Wen (David) Lou ; A Practical High-Energy Cathode for Sodium-Ion Batteries Based on Uniform P2-Na0.7CoO2 Microspheres; Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201702024 

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