广东工业大学《Small》：NVPF@rGO/CNT复合材料，用于钠离子电池

成果简介

钠离子电池（SIB）被广泛认为是锂离子电池技术的希望替代品。然而，钠离子电池仍然面临着一些挑战，如速率能力低、循环稳定性不理想、变温性能差等。本文，广东工业大学孙志鹏 教授团队在《Small》期刊发表名为“Zero-Strain Na3V2(PO4)2F3@Rgo/CNT Composite as a Wide-Temperature-Tolerance Cathode for Na-Ion Batteries with Ultrahigh-Rate Performance”的论文，研究成功构建了一种分层 Na3V2(PO4)2F3（NVPF）@还原氧化石墨烯（rGO）/碳纳米管（CNT）复合材料（NVPF@rGO/CNT）。这种复合材料的特点是 0D Na3V2(PO4)2F3 纳米颗粒被由 2D rGO 和 1D CNT 组成的交联三维导电网络包覆。

此外，通过对 NVPF@rGO/CNT 的全面表征，揭示了其内在的 Na 储存机制。合成的 NVPF@rGO/CNT 在较宽的工作温度（-40-50 °C）下表现出快速的离子/电子传输和优异的结构稳定性，这归功于零应变 NVPF 和涂覆的 rGO/CNT 导电网络减少了离子和电子的扩散距离。此外，NVPF 和 rGO/CNT 之间的稳定整合实现了出色的结构稳定性，从而减轻了循环过程中产生的应变和应力。此外，通过硬碳阳极与 NVPF@rGO/CNT 阴极的搭配，还组装出了一个实用的全电池，在 0.2 C 时可提供 105.2 mAh g+-1 的高容量，从而达到 242.7 Wh kg-1 的理想能量密度。这项研究为开发用于 SIB 的高能量和功率密度阴极材料提供了宝贵的见解。

图文导读

图1、NVPF@rGO/碳纳米管合成过程示意图。

图2、a，b） NVPF的SEM图像，c，d）NVPF@rGO/CNT的SEM图像，e，f）NVPF@rGO的SEM图像，g）NVPF@rGO/CNT的TEM图像，h）NVPF@rGO/CNT的HRTEM图像，以及i）NFVP@rGO/CNT的元素映射图像。

图2、a） NVPF@rGO/CNT的XRD图谱，b）Rietveld精细XRD图谱，c）拉曼光谱曲线，d）NVPF@rGO/CNT的V 2p XPS谱图，e）NVPF@rGO/CNT的C 1s XPS谱图，f） NVPF@rGO/CNT的TG-DTA曲线。

图4、25°C时的电化学性能。a） 速率性能，b） 不同速率下的 Ragone 图，c） 1 C下的循环性能，以及 d） 10 C 下的循环性能。

图5、25 °C下的电化学性能。

图6、a，b） NVPF@rGO/CNT在不同电位阶段的XRD曲线。c） NVPF@rGO/CNT 和其他先进 SIB 正极材料的体积变化。

图7、在很宽的温度范围内具有电化学性能。

图8、基于HC阳极和NVPF@rGO@CNT阴极的全电池电化学性能.

小结

总之，我们成功合成了零应变 NVPF@rGO/CNT 作为 SIB 阴极。即使不添加导电剂，NVPF@rGO/CNT 也能表现出超高的速率性能（60 C 时 101 mAh g-1）和卓越的循环稳定性（6000 次循环后，10 C 时容量保持率为 88.4%）。CV、GITT 和 EIS 测试进一步证明了 NVPF@rGO/CNT 阴极的快速电化学动态。原位 XRD 揭示了 NVPF@rGO/CNT 的零应变特性（体积变化率为 0.4%），这也是其良好循环性的原因。此外，NVPF@rGO/CNT 电极在 90 °C（50 至 -40 °C）的温度范围内显示出突出的宽温耐受性，并在 -40 °C 时保持 96.8 mAh g-1 的超强可逆容量。由 NVPF@rGO/CNT 阴极和硬碳阳极组装而成的全电池在阴阳极总质量的基础上实现了 242.7 Wh kg-1 的高能量密度。我们的研究为合理设计高倍率、宽温度自适应 SIB 阴极材料提供了参考。

文献：

https://doi.org/10.1002/smtd.202301277