P2型层状氧化物正极的人工界面层构筑及储钠性能

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0240

摘要/Abstract

摘要：

P2型Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂（P2-NNMO）工作电压高、安全性好、成本低，是有潜力的钠离子电池正极材料。针对P2-NNMO正极钠不足和P2-NNMO正极与电解液的界面问题，通过化学预钠化法（P2-NNMO正极和联苯钠的自发反应），构造了一种富含无机物的人工界面层，可使外源性的钠嵌入氧化物正极层间。结果表明：预钠化形成的人工界面层含有的NaF，可有效缓解正极材料被有机溶剂侵蚀及过渡金属的溶出；同时人工界面层也改善了钠离子的扩散动力学。改性后的正极（P2-NNMO@CEI）在电压为2~4 V、电流密度为20 mA/g的条件下，放电比容量为95.1 mA∙h/g、首次库伦效率为88.5%；在50 mA/g下循环280次后容量保持率为84.2%。该研究为层状氧化物正极表面改性提供了一种有效方法，也为电极材料的界面设计提供了新的思路和方向。

关键词: 正极电解液界面, 循环稳定性, 层状氧化物, 钠离子电池

Abstract:

P2-type Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂（P2-NNMO） has high working voltage，good safety，and low cost，making it a promising cathode material for sodium ion batteries.To solve the problem of sodium deficiency of P2-NNMO cathode and the interface between P2-NNMO cathode and electrolyte，an inorganic-rich artificial interface layer was constructed on P2-NNMO cathode via a chemical pre-sodiation method（spontaneous redox reaction between P2-NNMO cathode and sodium biphenyl），with which extra sodium ions insert the oxide cathode host structure.The results showed that the artificial interface layer formed by pre-sodiation contained NaF，shielded cathode material solvent corrosion and transition metal dissolution，and improved the diffusion kinetics of Na⁺.The modified cathode（P2-NNMO@CEI） delivered the discharge specific capacity of 95.1 mA∙h/g and the coulombic efficiency of 88.5% within the voltage of 2~4 V at the current density of 20 mA/g and possessed capacity retention of 84.2% after 280 cycles at the current density of 50 mA/g.This study provided an effective method for surface modification of layered oxide cathode and further provided a new concept and direction for designing interfaces of electrode materials toward real applications.

Key words: cathode electrolyte interface, cycling stability, layered oxides, sodium ion batteries

中图分类号:

TQ131.12

刘杰, 石雪茹, 魏树兵, 曹鑫鑫. P2型层状氧化物正极的人工界面层构筑及储钠性能[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 39-44.

LIU Jie, SHI Xueru, WEI Shubing, CAO Xinxin. Artificial interface layer construction and sodium storage performance of P2-type layered oxide cathode[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(3): 39-44.

图/表 6

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参考文献 22

1	梁叔全，程一兵，方国赵，等.能源光电转换与大规模储能二次电池关键材料的研究进展［J］.中国有色金属学报，2019，29（9）：2064-2114.
	LIANG Shuquan， CHENG Yibing， FANG Guozhao，et al.Research progress of key materials for energy photoelectric conversion and large-scale energy storage secondary batteries［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2019，29（9）：2064-2114.
2	FU Hongwei， WANG Yunpeng， FAN Guozheng，et al.Synergetic stability enhancement with magnesium and calcium ion substitution for Ni/Mn-based P2-type sodium-ion battery cathodes［J］.Chemical Science，2022，13（3）：726-736.
3	WANG Wanlin， GANG Yong， HU Zhe，et al.Reversible structural evolution of sodium-rich rhombohedral prussian blue for sodium-ion batteries［J］.Nature Communications，2020，11：980.
4	REN Wen， QIN Mulan， ZHOU Yifan，et al.Electrospun Na₄Fe₃（PO₄）₂（P₂O₇） nanofibers as free-standing cathodes for ultralong-life and high-rate sodium-ion batteries［J］.Energy Storage Materials，2023，54：776-783.
5	龙云飞，苏静，吕小艳，等.锂/钠离子电池过渡金属氟磷酸盐正极材料研究进展［J］.无机盐工业，2020，52（3）：28-34，38.
	LONG Yunfei， SU Jing， Xiaoyan LÜ，et al.Advances in transition metal fluoride phosphate cathode materials for lithium-ion batteries and sodium-ion batteries［J］.Inorganic Chemicals Industry，2020，52（3）：28-34，38.
6	WANG Pengfei， YOU Ya， YIN Yaxia，et al.Layered oxide cathodes for sodium-ion batteries：Phase transition，air stability，and performance［J］.Advanced Energy Materials，2018，8（8）：1701912.
7	ZHANG Jiaolong， WANG Wenhui， WANG Wei，et al.Comprehensive review of P2-type Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂，a potential cathode for practical application of Na-ion batteries［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2019，11（25）：22051-22066.
8	WANG Enhui， NIU Yubin， YIN Yaxia，et al.Manipulating electrode/electrolyte interphases of sodium-ion batteries：Strategies and perspectives［J］.ACS Materials Letters，2021，3（1）：18-41.
9	HUANG Yongxin， ZHAO Luzi， LI Li，et al.Electrolytes and electrolyte/electrode interfaces in sodium-ion batteries：From scientific research to practical application［J］.Advanced Materials，2019，31（21）：1808393.
10	DANG Rongbin， LI Qi， CHEN Minmin，et al.CuO-coated and Cu²⁺-doped Co-modified P2-type Na_2/3［Ni_1/3Mn_2/3］O₂ for sodi-um-ion batteries［J］.Physical Chemistry Chemical Physics，2019，21（1）：314-321.
11	DANG Rongbin， CHEN Minmin， LI Qi，et al.Na⁺-conductive Na₂Ti₃O₇-modified P2-type Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂ via a smart in situ coating approach：Suppressing Na⁺/vacancy ordering and P2-O2 phase transition［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2019，11（1）：856-864.
12	KALIYAPPAN K， LI Gaoran， YANG Lin，et al.An ion conductive polyimide encapsulation：New insight and significant performance enhancement of sodium based P2 layered cathodes［J］.Energy Storage Materials，2019，22：168-178.
13	XIA Jiuyang， WU Wenwei， FANG Kaixin，et al.Enhancing the interfacial stability of P2-type cathodes by polydopamine-derived carbon coating for achieving performance improvement［J］.Carbon，2020，157：693-702.
14	JO J H， CHOI J U， KONAROV A，et al.Sodium-ion batteries：Building effective layered cathode materials with long-term cycling by modifying the surface via sodium phosphate［J］.Advanced Functional Materials，2018，28（14）：1705968.
15	JO C H， JO J H， YASHIRO H，et al.Bioinspired surface layer for the cathode material of high-energy-density sodium-ion batteri-es［J］.Advanced Energy Materials，2018，8（13）：1702942.
16	MU Linqin， RAHMAN M M， ZHANG Yan，et al.Surface transformation by a“cocktail” solvent enables stable cathode materials for sodium ion batteries［J］.Journal of Materials Chemistry A，2018，6（6）：2758-2766.
17	MU Linqin， FENG Xu， KOU Ronghui，et al.Deciphering the cathode-electrolyte interfacial chemistry in sodium layered cathode materials［J］.Advanced Energy Materials，2018，8（34）：1801975.
18	LIU Xiaoxiao， TAN Yuchen， LIU Tongchao，et al.A simple electrode-level chemical presodiation route by solution spraying to improve the energy density of sodium-ion batteries［J］.Advanced Functional Materials，2019，29（50）：1903795.
19	LIU Yao， WU Xiangyong， MOEEZ A，et al.Na-rich Na₃V₂（PO₄）₃ cathodes for long cycling rechargeable sodium full cells［J］.Advanced Energy Materials，2023，13（3）：2203083.
20	YE Minghui， YOU Shunzhang， XIONG Jiaming，et al. In situ construction of a NaF-rich cathode-electrolyte interface on Prussian blue toward a 3000-cycle-life sodium-ion battery［J］.Materials Today Energy，2022，23：100898.
21	LIU Zhengbo， SHEN Jiadong， FENG Shihui，et al.Ultralow volume change of P2-type layered oxide cathode for Na-ion batteries with controlled phase transition by regulating distribution of Na［J］.Angewandte Chemie（International Ed.in English），2021，60（38）：20960-20969.
22	LIU Zhengbo， ZHOU Chaojin， LIU Jun，et al.Phase tuning of P2/O₃ ^- type layered oxide cathode for sodium ion batteries via a simple Li/F co-doping route［J］.Chemical Engineering Journal，2022，431：134273.

[1]	周煌, 胡晓萍, 任稳, 曹鑫鑫. 硫掺杂Na₃（VOPO₄）₂F正极材料的制备及储钠性能[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 30-37.
[2]	王亿周, 胡晓梅, 王永详, 张维民. 镍铁锰酸钠层状氧化物的制备及性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 57-64.
[3]	韩红静, 张竞择, 拉毛卓玛, 韩吉者, 吴勇民, 汤卫平. 铝钴共掺杂锂锰氧化物的制备及吸附提锂性能[J]. 无机盐工业, 2023, 55(7): 38-44.
[4]	张瑞, 王正豪, 陈良, 郭孝东, 罗冬梅. 工业钛液合成钛酸钠负极及其储钠性能[J]. 无机盐工业, 2023, 55(12): 66-73.
[5]	彭晨熹, 刘军. 钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 1-12.
[6]	马存双,万延华,许永开,陈卫华. 超薄氮硫掺杂碳包覆二硫化铁的制备及储钠性能[J]. 无机盐工业, 2022, 54(6): 55-60.
[7]	东鹏,周英杰,侯敏杰,杨冬荣,戴永年,梁风. 钠离子电池正极材料Na3V2（PO4）3研究进展[J]. 无机盐工业, 2022, 54(5): 1-10.
[8]	周彬,白小洁,刘昊,廖立兵. 二维MXene材料——Ti₃C₂T_x在钠离子电池中的研究进展[J]. 无机盐工业, 2021, 53(8): 21-26.
[9]	王晨鑫,陈美丽,田蒙奎,杨万亮. 镂空α-氧化铁纳米带制备及其光催化性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(6): 185-189.
[10]	包科杰,路凌然. 新能源汽车电池负极材料的制备与性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(3): 54-59.
[11]	龙云飞,苏静,吕小艳,文衍宣. 锂/钠离子电池过渡金属氟磷酸盐正极材料研究进展[J]. 无机盐工业, 2020, 52(3): 28-34.
[12]	吴瑞峰1，王宏伟2，皮晓媛1. 二硫化钼复合导电碳作为高性能钠离子电池负极材料的研究[J]. 无机盐工业, 2019, 51(7): 28-32.
[13]	吴洁帆, 刘红光, 叶学海, 夏继平, 卢阳, 林超旺, 张晓波. 不同铝源对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的包覆改性研究[J]. 无机盐工业, 2015, 47(7): 71-.
[14]	林茹;刘超锋. 锂离子电池正极材料锰酸锂的改性研究[J]. 无机盐工业, 2009, 0(10): 0-0.

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