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图1. Na2S/Na3PS4/C复合材料的合成制备过程,及相应的Na2S-P2S5相图
图2. Na2S/Na3PS4/C复合材料的微观结构表征
浇筑-退火法制备的Na2S/Na3PS4/C复合材料作为全固态钠硫电池的正极材料表现出良好的电化学性能。在0.5V-3.0V的充放电电压区间,在50 mA/g的充放电电流密度下,复合材料具有800 mAh/g的可逆比容量;同时材料具有非常好的循环稳定性,经过50循环周期后,全固态钠硫电池依然能保持650 mAh/g的可逆充放电容量。作为对比,普通球磨法制备的复合材料,其可逆容量仅为100 mAh/g. 另外由于浇筑-退火法制备的Na2S/Na3PS4/C复合材料大幅降低了界面阻抗,其充放电的电压滞后也大幅降低。与液态电解液相比,全固态电池完全消除了多硫化物的穿梭效应,故其可逆库伦效率接近100%。
图3. 浇筑-退火法制备的Na2S/Na3PS4/C复合材料与传统的球磨法制备的材料的充放电性能对比
作者同时对比测试了不同制备条件下的全固态电池的倍率性能和阻抗性能来进一步研究其储能机理,并给出其表现出优异电化学性能的可能原因:(1)原位生成的纳米复合结构可有效降低Na+在脱嵌过程中产生的机械应力,从而有效保护电极的结构完整性并缩短了离子扩散距离;(2)浇筑-退火热处理消除了复合材料的应力;(3)初始材料为放电态复合物可以减轻循环期间的体积变化以确保结构的完整性。该研究成果对于开发高能量密度的钠硫全固态电池具有重要的参考价值。
图4. 浇筑-退火法制备的Na2S/Na3PS4/C复合材料与传统的球磨法制备的材料的倍率性能对比
参考文献:
Xiulin Fan, Jie Yue, Fudong Han, Ji Chen, Tao Deng, Xiuquan Zhou, Singyuk Hou, Chunsheng Wang. High-Performance All-Solid-State Na-S Battery Enabled by Casting-Annealing Technology, ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08856.
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