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图1.3DSG纳米复合材料用作SIBs负极时的半电池电化学性能。(a)循环伏安曲线;(b)倍率性能对比;(c)不同电流密度下的充放电曲线;(d)容量保持率随电流密度和温度的变化情况;(e)在不同温度下功率和能量密度之间的关系曲线;(f)不同温度下电极的循环稳定性(电流密度为2A/g)。(g)3DSG电极中Na+和e-的传输通路示意图。
基于上述3DSG负极的优异半电池性能,进一步与将其与NVPOF匹配,装配了3DSG//NVPOF钠离子全电池,其工作原理示意图如图2a所示。图2b和2c分别给出了所得钠离子全电池在不同电流密度下的充放电曲线和比容量(比容量值是根据正极活性材料的质量进行计算而得)变化情况。可见,在0.02 A/g这样的低电流密度下,3DSG//NVPOF可存储的比容量为128.1 mAh/g;当电流密度逐渐增加到2 A/g或4 A/g,其比容量仍可达83.1或72.7 mA h/g。以电流密度为2 A/g进行举例计算,与0.02 A/g相比,尽管电流密度增加了100倍,其容量损失率仅为35.1 %。表明装配的3DSG//NVPOF全电池具有优异的倍率性能。如图2d所示,据此计算的电极材料质量基能量密度和功率密度,均高于目前报道的大多数钠离子全电池。此外,3DSG//NVPOF全电池还表现出超长的循环稳定。例如,在室温和1 A/g的电流密度下循环15000次后,其容量保持率仍高达86.3%。
图2.3DSG//NVPOF钠离子全电池在室温条件下的储能性能:(a)工作原理示意图;不同电流密度下的(b)充放电曲线和(c)倍率性能;图c中的插图:单片软包电池可点亮47个绿色LED灯泡组成的显示屏;(d)功率密度和能量密度之间的相关性,及其与文献已报道工作的对比结果;以及(e)循环性能。
图3.3DSG//NVPOF钠离子全电池的低温储能性能:(a)容量保持率随电流密度和温度的变化情况;不同温度下(b)功率密度和能量密度之间的关系以及(c)循环稳定性能。
除了室温下的优异高倍率和长循环寿命,更重要的是,如图3所示,所装配3DSG//NVPOF钠离子全电池还表现出非常优异的低温储能性能。以0.04 A/g电流密度为例,以25 °C的室温下比容量为标准,15 °C,5 °C,-5 °C,-15 °C和-25 °C下的容量保持率分别为 ~97.8%,97.5 %,85.5 %,75.1 %和60.7 %。图3c还进一步给出了3DSG//NVPOF钠离子全电池在不同温度下的循环性能。可以看出,在0.4 A/g这一电流密度的测试条件下,随着测试温度从25°C逐渐降低到15 °C,5 °C,-5 °C,-15 °C和-25 °C,经过1000圈循环后,相应的容量保持率值分别为96%,95%,90%,94%,89%和75%,表明所装配3DSG//NVPOFF钠离子全电池还可在低温条件下长时间地循环使用。
电池组装过程:
采用CR2032扣式电池进行组装测试,选用多孔玻璃纤维(Whatman) 为隔膜,电解液为1 mol L-1的高氯酸钠(NaClO4)溶液,其溶剂为体积比1:1的碳酸乙烯酯(EC)与碳酸丙烯酯(PC)的混合溶液(含有5 %的氟代碳酸乙烯酯(FEC)添加剂)。电极中,活性材料、导电添加剂和粘结剂的质量比为7:2:1,混匀涂覆于铝/铜箔上,60 oC真空干燥10小时以上。在半电池中,金属钠片为对电极和参比电极。在全电池装配之前,对负极进行了预钠化处理。根据正、负极的容量值来进行全电池的设计和装配(通常情况下,负极容量过量5 %左右)。
致谢:
感谢国家自然科学基金(No. 51602048和No. 21605136)和中央高校基本科研业务费(No.2412017FZ013)的经费支持。
参考文献:
Ying-Ying Wang, Bao-Hua Hou, Jin-Zhi Guo, Qiu-Li Ning, Wei-Lin Pang, Jiawei Wang, Chang-Li Lü, and Xing-Long Wu*, An Ultralong Lifespan and Low-Temperature Workable Sodium-Ion Full Battery for Stationary Energy Storage, Adv. Energy Mater. 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703252.
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