JPhysD编辑优选：基于一维纳米结构的高性能钠离子全电池
- 通过简单的固相合成法构筑铰链状单晶Na0.44MnO2纳米棒，揭示了晶粒尺寸大小以及结晶性对电化学性能的影响。
- 基于一维纳米结构电极材料构建高性能钠离子全电池系统：Na0.44MnO2一维纳米棒作为正极材料，Co9S8@MoS2一维纳米管作为负极材料。
文章介绍
Bo Peng （彭波）, Jingyu Gao （高靖宇）, Zhihao Sun（孙志浩）, Jie Li （李杰）and Genqiang Zhang （章根强）
通讯作者：
- 章根强 中国科学技术大学
本文采用简单的固相反应策略设计合成了单晶铰链状Na0.44MnO2纳米棒 (NMO-HNR)。主要讨论NMO-HNR在不同合成温度下的电化学性能差异，通过结合材料的结晶度，纳米形貌以及电化学性能，揭示了晶粒尺寸和结晶度对电化学性能的影响。结果表明，相比于煅烧温度为800（NMO-HNR-800）和850度（NMO-HNR-850）的样品，煅烧温度为900度（NMO-HNR-900）的样品可以贡献出最多的容量，这可以归因于良好的结晶性可以提供更多Na+插层位点。然而，NMO-HNR-850的样品表现出最好的倍率性能，这是因为NMO-HNR-850的晶粒尺寸较小，增加了Na+的扩散速率。通过测试循环2000圈之后的电池材料的形貌和结构，发现这种良好设计的单晶铰链纳米棒结构具有良好的结构稳定性，可以抵抗在循环过程产生的晶格应力，赋予了其良好的循环稳定性。
图1. 900度的煅烧温度下合成的NMO-HNR-900的形貌和微结构表征。
为了进一步表明其在实际应用中的可能性，我们第一次报道和制备了以一维纳米棒NMO-HNR-900为正极，一维纳米管Co9S8@MoS2 HNT作为负极的钠离子全电池。这一有前景的全电池可以提供71.3 mAh g^-1的初始比容量以及62.1 Wh kg^-1的比能量。在循环80次之后仍然可以有72.1%的容量保留，表明该全电池具有较好的循环稳定性。我们相信这一研究为设计合适的正极材料提供了新思路，同时推动了钠离子电池的实用化进展。
研究背景
隧道式Na0.44MnO2是一种典型的钠离子电池正极材料，具有低成本、环境友好等优点，在未来作为大规模电能储存的钠离子电池中具有很大的应用潜力。然而，由于其缓慢的动力学和其在循环过程中的结构退化，导致Na0.44MnO2的循环性能和倍率性能较差，限制了其实际应用。近期，构筑一维纳米结构被认为是一种很好的策略来提高电极材料的电化学性能。然而，构建高性能一维纳米结构的Na0.44MnO2仍然是一个巨大的挑战，由于缺少合适的、廉价的制备工艺。与此同时，基于Na0.44MnO2作为正极材料的全电池系统却鲜有研究。本研究的目的，旨在提供一种简单高效的合成方法来合成一维Na0.44MnO2正极材料，并从全电池的角度考察了其电化学性能，为设计正极材料提供了新思路。
作者介绍
章根强，现任中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向为新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究。近年来，章根强教授作为通讯作者，已在Science Advances, Nature Communications，Advanced Materials, Energy Storage Materials, Applied Catalysis B-Environmental, Journal of Materials Chemistry A, Small等国际学术期刊发表多篇论文。