钠电层状氧化物改性实现优异综合性能

钠离子电池在新一代能量储存设备中是最具潜质的，但是具有优异综合性能的正极材料合成困难，造成可以实际应用的正极材料比较少。所以很多研究工作者们致力于设计简单可行的方案合成具有综合性能的钠离子正极材料。近期，中科院化学研究所的郭玉国课题组设计了简单制备钠离子正极材料的方案，对层状金属氧化物进行改性掺杂，并制备出具有优异综合电化学性能的NaFe0.45Co0.5Mg0.05O2材料(NaFCM)。成果发表在Adv. Energy Mater. (IF:15.230)。

图1 a) NaFCM的XRD图谱, b) O3-NaFCM简明示意图, c) NaFCM的SEM图像, d) NaFCM的EDS图谱

NaFCM材料在电位区间2.5-4.0V ，电流密度0.1C的条件下首次放电比容量高达139.9mAh/g，首次库伦效率高达96.6%；其倍率性能也相当优越，在0.5C、5C和10C的放电条件下的比容量分别为139.0mAh/g、118.2mAh/g和73.9mAh/g；NaFCM在1C的电流密度下循环500次比容量保持为94.2mAh/g。同时，作者在电化学性能上与无铁(NaCo0.95Mg0.05O2)、无钴(NaFe0.95Mg0.05O2)和无镁(NaFe0.5Co0.5O2)的材料做对比，来探讨个金属离子在材料中扮演的角色。结果发现，Fe3+、Co3+和Mg2+在NaFCM发挥协同作用，Fe3+使得材料具有高的还原位点，Co3+使得材料是具有良好的离子导电性，Mg2+使得材料保持结构的完整性。

图2 a) 在0.1C电流密度下NaFCM和NaCM的首次充放电曲线, b) 不同倍率下NaFCM和NaCM的放电曲线, c) 在1C电流密度下NaFCM和NaCM的循环稳定性, d) NaFCM充放电过程中的原位XRD

图3 材料在不同充放电状态的XANES图谱a) Fe K-edge, b) Co K-edge；材料在不同充放电状态的EXAFS傅里叶变换图谱c) Fe K-edge, d) Co K-edge

作者通过原位XRD，原位XANES和EXAFS傅里叶变换等分析来揭示材料的优异电化学性能以及结构演变过程。结果发现，在充放电过程中，材料晶体结构的变化是O3’-P’3-P3-O3，且过程高度可逆，所以NaFCM材料表现出的超高的可逆比容量，超高的首次库伦效率，良好的倍率性和稳定的循环性等优越的电化学性能。

材料制备

O3-NaFe0.5-XCo0.5MgXO2(X=0.05)制备：Na2CO3, Fe2O3, Co3O4和MgO以一定的化学计量比混合，随后在900℃煅烧12h。

O3-NaFe0.95Mg0.05O2(NaCo0.95Mg0.05O2)制备：Na2O2, Fe3O4(Co3O4）和MgO以一定化学计量比混合，随后在550℃煅烧12h。

参考文献

Hu-Rong Yao, Peng-Fei Wang, Yi Wang, Xiqian Yu, Ya-Xia Yin, Yu-Guo Guo, Excellent Comprehensive Performance of Na-Based Layered Oxide Benefiting from the Synergetic Contributions of Multimetal Ions, Adv. Energy Mater., 2017, 1700189

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