Prestazzjoni Elettrokimika Ta 'HQ-FeHCF

Fe4[Fe(CN)6]3 Nanokubi ta' kwalità għolja Preparazzjoni: Bħala Materjal tal-Katodu għal Batterija Aqueous Sodium-ion

WANG Wu-Lian. Fe4[Fe(CN)6]3 Nanocubes ta 'kwalità għolja: Sintesi u Prestazzjoni Elettrokimika bħala Materjal tal-Katodu għal Batterija Aqueous Sodium-ion. Ġurnal tal-Materjali Inorganiċi[J], 2019, 34(12): 1301-1308 doi:10.15541/jim20190076

Test ta 'Prestazzjoni Elettrokimiku ta' Fe4[Fe(CN)6]3 Nanokubi ta 'kwalità għolja

L-ewwel, il-prestazzjoni elettrokimika ta 'HQ-FeHCF u LQ-FeHCF fl-elettrolit Na-H2O-PEG ġiet ittestjata bl-użu ta' sistema ta 'tliet elettrodi. Il-Figura 4(a) turi l-kurvi tal-voltametrija ċiklika ta 'HQ-FeHCF u LQ-FeHCF fl-elettrolit Na-H2O-PEG b'rata ta' skan ta '1 mV s-1. Jista 'jiġi osservat b'mod ċar mill-figura li żewġ pari ta' qċaċet redox indipendenti dehru f'HQ-FeHCF, li jindikaw li seħħew żewġ reazzjonijiet redox, li jikkorrispondu għall-interkalazzjoni/deinterkalazzjoni riversibbli ta 'żewġ Na plus . L-ewwel par ta 'qċaċet redox dehru f'0.03 u 0.28 V, li jikkorrispondu għat-tnaqqis u l-ossidazzjoni ta' joni FeIII/FeII b'spin għoli mwaħħla ma 'atomi tal-karbonju. It-tieni par ta 'qċaċet redox jidher f'1.12 u 1.26 V, li jikkorrispondi għat-tnaqqis u l-ossidazzjoni ta' jonji FeIII/FeII b'spin baxx magħqudin ma 'atomi tan-nitroġenu. Fl-istess rata ta 'skannjar, il-kurvi CV ta' LQ-FeHCF u HQ-FeHCF huma simili.

Il-Figura 4(b) turi l-kurvi ta 'ċarġ-skarigu ta' kurrent kostanti ta 'HQ-FeHCF u LQ-FeHCF b'rata ta' 1C (1C= 120 mA g-1). Jista 'jidher b'mod ċar mill-figura li HQ-FeHCF għandu żewġ plateaus ta' vultaġġ matul il-proċess tal-iċċarġjar u l-ħatt, li jindika li l-inserzjoni/estrazzjoni ta 'Na plus titlesta f'żewġ passi. Dan jikkorrispondi għaż-żewġ pari ta' qċaċet redox li jidhru fil-Fig. 4(a). LQ-FeHCF juri kurvi ta 'ċarġ ta' skariku simili għal HQ-FeHCF, iżda l-kapaċità ta 'skariku tiegħu hija sinifikament iżgħar minn dik ta' HQ-FeHCF.Il-Figura 4(c) turi l-prestazzjoni tar-rata ta 'HQ-FeHCF u LQ-FeHCF. Jista 'jidher mill-figura li l-kapaċitajiet speċifiċi ta' HQ-FeHCF f'rati 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C u 40C huma 124, 118, 105, 94, 83, 74 u 63 mAh·g-1, rispettivament. Ta 'min jinnota li meta terġa' lura għal 1C għal darb'oħra, il-kapaċità rkuprat għal 124 mAh·g-1, u turi prestazzjoni ta 'rata eċċellenti. Hemm żewġ raġunijiet għaliex HQ-FeHCF għandu prestazzjoni ta 'rata daqshekk tajba: L-ewwel, il-materjal HQ-FeHCF sintetizzat bil-metodu f'dan id-dokument għandu kwalità għolja u ftit difetti ta' post battal, u b'hekk jiżgura t-trasport effiċjenti ta 'Na plus . It-tieni, l-istruttura tal-kanal kbir tal-materjal tqassar il-mogħdija tat-trasport Na plus. Barra minn hekk, l-istruttura ta 'HQ-FeHCF sintetizzata bil-mod biż-żieda ta' PVP hija stabbli ħafna, u ċ-ċikli ta 'charge-discharge b'rata għolja mhux se jwasslu għall-kollass strutturali ta' HQ-FeHCF, li jirriżulta fid-degradazzjoni tal-prestazzjoni elettrokimika. Il-kapaċitajiet speċifiċi ta 'LQ-FeHCF f'rati 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C u 40C huma 112, 104, 81, 59, 35, 18 u 7 mAh·g-1, rispettivament. Il-prestazzjoni tar-rata ġenerali hija agħar minn dik ta 'HQ-FeHCF, speċjalment b'rati għoljin, id-distakk huwa partikolarment ovvju. Dan għaliex LQ-FeHCF m'għandu l-ebda struttura stabbli, u hemm numru kbir ta '[Fe(CN)6] difetti ta' vakanza u ilma tal-kristall fil-kristall tiegħu, li jfixklu d-deinterkalazzjoni ta 'Na plus , li jirriżultaw fil-kapaċità speċifika estremament baxxa ta' LQ-FeHCF f'ingrandimenti għoljin.

Fig. 4 (a) Kurvi ta' voltammogram ċikliku (CV) ta' HQ-FeHCF u LQ-FeHCF bir-rata ta' knis ta' 1 mV·s-1 fl-elettrolit ta' Na-H2O-PEG; (b) Kurvi ta' ċarġ u skariku ta' HQ-FeHCF u LQ-FeHCF f'1C; (c) Ir-rata tal-prestazzjoni ta' HQ-FeHCF u LQ-FeHCF; (d) Prestazzjoni taċ-ċikliżmu ta' HQ-FeHCF u LQ-FeHCF

L-istabbiltà taċ-ċikliżmu hija parametru importanti għal batteriji tal-jone Na akweju f'applikazzjonijiet prattiċi. Il-prestazzjoni taċ-ċikliżmu ta 'HQ-FeHCF u LQ-FeHCF b'rata ta' 5C tidher fil-Fig. 4 (d). Il-kapaċità ta 'skarika ta' LQ-FeHCF fl-ewwel ċiklu hija 87 mAh·g -1, iżda l-kapaċità tagħha tonqos malajr biż-żieda tal-ħinijiet taċ-ċiklu. Wara 100 ċiklu, ir-rata ta 'żamma tal-kapaċità kienet 61 fil-mija, u wara 500 ċiklu, il-kapaċità kienet biss 26 mAh·g-1, li tikkorrispondi għal rata ta' żamma tal-kapaċità ta '29.9 fil-mija. HQ-FeHCF juri stabbiltà taċ-ċiklu estremament eċċellenti. Wara 100 ċiklu, il-kapaċità ta 'HQ-FeHCF ma naqsitx b'mod sinifikanti, u żammet rata ta' żamma tal-kapaċità ta '100 fil-mija, u r-rata ta' żamma tal-kapaċità kienet għadha għolja daqs 99.4 fil-mija sal-500 ċiklu.

Sabiex tivverifika aktar l-istabbiltà ta 'HQ-FeHCF fl-elettrolit Na-H2O-PEG, l-elettrodi wara 100 ċiklu u 500 ċiklu ġew osservati minn SEM. Kif muri fil-Figura 5, il-Figura 5(a ~ b) hija r-ritratt SEM ta 'HQ-FeHCF fl-elettrolit Na-H2O-PEG wara 100 darba ta' ċarġ ta 'kurrent kostanti u skariku f'5C. Jista 'jidher b'mod ċar mill-figura li kull partiċella tan-nanokubu HQ-FeHCF iżżomm grad għoli ta' integrità, kważi l-ebda ħsara strutturali, u l-ebda difett fuq il-wiċċ tal-partiċelli. Figura 5 (c ~ d) huma ritratti SEM ta 'HQ-FeHCF f'elettrolit Na-H2O-PEG wara 500 ċarġ ta' kurrent kostanti u skariku f'5C. Kull partiċelli ta 'nanokubu HQ-FeHCF iżżomm ukoll grad għoli ta' integrità mingħajr ebda deformazzjoni jew kollass strutturali. Il-biċċa arblu wara 500 ċiklu kienet soġġetta għal test TG, kif muri fil-Figura 6. Il-kontenut tal-ilma tal-kristallizzazzjoni ta 'HQ-FeHCF kien 13 fil-mija, l-ebda bidla sinifikanti meta mqabbla ma' qabel iċ-ċikliżmu; il-kontenut ta 'ilma kristall ta' LQ-FeHCF kien 20 fil-mija, żieda ta '2 fil-mija meta mqabbel ma' qabel iċ-ċikliżmu.

Fig. 5 Immaġini SEM ta' HQ-FeHCF wara (ab)100 u (cd) 500 ċiklu

Fig. 6 Kurvi TG ta' HQ-FeHCF u LQ-FeHCF wara 500 ċiklu

Il-mekkaniżmu ta 'tranżizzjoni tal-fażi tal-materjal HQ-FeHCF matul ir-reazzjoni elettrokimika ġie studjat b'teknika XRD ex-situ. Il-Figura 7 turi l-mudelli XRD tal-materjal taħt stati differenti ta 'ċċarġjar u ħatt, a ~ e huma l-proċess ta' ċċarġjar, f ~ i huma l-proċess ta 'ħatt, u t-tikek huma mmarkati b'qċaċet tad-diffrazzjoni Ti. Meta tieħu l-grupp ta 'qċaċet tad-diffrazzjoni fil-kaxxa tal-linja bit-tikek bħala eżempju, jista' jidher b'mod ċar mill-figura li l-qċaċet tad-diffrazzjoni XRD jaqilbu għad-direzzjoni taż-żieda ta '2θ matul il-proċess ta' a ~ e, minn 24.3 grad għal 24.6 grad . Dan huwa dovut għall-kontrazzjoni tal-kannizzata kkawżata minn estrazzjoni ta 'Na flimkien ma' HQ-FeHCF matul il-proċess tal-iċċarġjar. Il-bidla fil-volum taċ-ċellula tal-unità matul dan il-proċess hija madwar 8.1 fil-mija. Matul il-proċess f~i, il-quċċata tad-diffrazzjoni XRD tinbidel għad-direzzjoni ta 'tnaqqis 2θ, u terġa' lura għal 24.3 grad. Dan huwa minħabba li Na plus reintercalates f'HQ-FeHCF matul il-proċess ta 'kwittanza, u jikkawża espansjoni tal-kannizzata. Ta’ min jinnota li l-pożizzjonijiet tal-qċaċet tad-diffrazzjoni a u i huma koinċidenti ħafna. Dan jindika li d-deinterkalazzjoni ta 'Na plus fil-materjal HQ-FeHCF hija riversibbli ħafna, u d-deinterkalazzjoni riversibbli ta' Na plus mhux se teqred l-istruttura tal-kristall tal-materjal. Juri wkoll li HQ-FeHCF għandu stabbiltà għolja fl-elettrolit Na-H2O-PEG.

Fig. 7 Mudelli XRD ex situ ta’ materjal HQ-FeHCF f’diversi stati ta’ ċarġ u skariku

NaTi2(PO4)3 tat-tip NASICON għandu struttura tridimensjonali miftuħa adattata għad-diffużjoni tal-joni tas-sodju. Għalhekk, NaTi2(PO4)3 jista 'jintuża mhux biss bħala materjal ta' elettrodu għal batteriji organiċi tal-jone tas-sodju, iżda wkoll bħala materjal tal-elettrodu għal batteriji tal-jone tas-sodju milwiema. NaTi2(PO4)3 ġie ppreparat b'metodu preċedenti, u l-proprjetajiet elettrokimiċi tiegħu fl-elettrolit Na-H2O-PEG ġew studjati permezz ta 'voltametrija ċiklika (CV) u ċarġ galvanostatiku. Il-Figura 8(a) turi l-kurva CV ta 'NaTi2(PO4)3 b'rata ta' skennjar ta '1 mV s-1, b'par ta' qċaċet redox qawwija f'-0.64 u -0.79 V (vs Ag / AgCl). Dan jikkorrispondi għall-interkalazzjoni/estrazzjoni ta' Na plus , akkumpanjata mill-konverżjoni riversibbli bejn Ti3 plus u Ti4 plus . Id-distribuzzjoni tal-vultaġġ ta 'NaTi2(PO4)3 hija murija fil-Figura 8(b). Il-pjattaforma ta 'skarika ċatta f'-0.69 V (vs. Ag/AgCl) tindika li NaTi2(PO4)3 huwa materjal anodu tajjeb għall-batteriji tal-jone tas-sodju milwiema.

Fig. 8 (a) Kurvi ta' voltammogram ċikliku (CV) ta' HQ-FeHCF u NaTi2(PO4) bir-rata ta' knis ta' 1 mV·s-1 fl-elettrolit ta' Na-H2O-PEG; (b) Profili ta 'ċarġ-disċarġ galvanostatiku f'1C għal ċellula sħiħa, katodu, u anodu fl-elettrolit ta' Na-H2O-PEG; (c) Ir-rata tal-prestazzjoni u (d) il-prestazzjoni taċ-ċikliżmu taċ-ċellula sħiħa

Prestazzjoni elettrokimika tajba bbażata fuq HQ-FeHCF u NaTi2(PO4)3. Immuntajna batterija sħiħa tal-jone tas-sodju bl-ilma b'HQ-FeHCF bħala l-elettrodu pożittiv, NaTi2(PO4)3 bħala l-elettrodu negattiv, u NaClO4-H2O-PEG bħala l-elettrolit. Figura 8(b) turi l-kurvi tal-vultaġġ tal-elettrodu pożittiv, l-elettrodu negattiv, u l-batterija sħiħa b'rata ta '1C. Jista 'jidher mill-figura li l-vultaġġ tax-xogħol tal-batterija sħiħa huwa għoli daqs 1.9 V. Vultaġġ tax-xogħol għoli jwassal għat-titjib tad-densità tal-enerġija tal-batterija sħiħa, u d-densità tal-enerġija tal-batterija sħiħa kkalkulata abbażi tal-massa tal-materjal attiv hija għolja daqs 126 Wh kg -1. Jeċċedi d-densità tal-enerġija tal-biċċa l-kbira taċ-ċelloli sħaħ tal-jone Na akweju rrappurtati qabel li jużaw ossidu tal-manganiż, fosfat, u blu Prussjan bħala materjali katodi. It-tqabbil speċifiku huwa muri fit-Tabella 3. Kif muri fil-Fig. 8(c), bir-rata ta '1C, 2C, 5C, 10C, 20C u 30C, il-kapaċitajiet tal-batterija sħiħa huma 117, 113, 110, 86, 68 u 57 mAh, li turi r-rata eċċellenti ta' mAh, }}·g rispettivament, li r-rata ta '{33}} s, rispettivament eċċellenti. Figura 8(d) turi l-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija sħiħa b'rata 5C. Fl-ewwel 70 ċiklu, il-kapaċità tal-batterija sħiħa tiżdied ftit, u l-effiċjenza Coulombic tiżdied gradwalment minn 96 fil-mija fl-ewwel ċiklu għal livell qrib il-100 fil-mija. Fis-70 ċiklu li ġejjin, il-kapaċità bdiet tonqos bil-mod, sal-140 ċiklu, ir-rata ta 'żamma tal-kapaċità tal-batterija sħiħa kienet 92 fil-mija, u l-effiċjenza Coulombic baqgħet qrib il-100 fil-mija. Għalkemm il-vultaġġ tal-iċċarġjar tal-qtugħ tal-batterija sħiħa huwa għoli daqs 2 V, jaqbeż ħafna l-vultaġġ ta 'dekompożizzjoni teoretiku ta' l-ilma (1.23 V), xorta jista 'jżomm effiċjenza għolja ta' Coulombic, li juri l-vantaġġi ta 'elettrolit Na-H2O-PEG f'batteriji ta' Na-ion milwiema.

Tabella 3 Densità tal-enerġija ta' batteriji tal-jone tas-sodju milwiema differenti

Konklużjoni

F'dan l-istudju, in-nanomaterjali Fe4[Fe(CN)6]3 ta 'kwalità għolja u b'difetti baxxi ġew sintetizzati b'suċċess b'metodu idrotermali sempliċi u konvenjenti. Ir-riżultati tat-test XRD juru li l-materjal huwa struttura kubika ċċentrata fuq il-wiċċ (fcc), li tappartjeni għall-grupp tal-punti spazjali Fm-3m. Ir-riżultati tat-test SEM u TEM juru li l-Fe4[Fe(CN)6]3 sintetizzat għandu kristallinità eċċellenti, u l-materjal għandu struttura kubika tipika b'tul tal-ġenb ta 'madwar 500 nm. Il-wiċċ tal-materjal huwa lixx u uniformi mingħajr akkumulazzjoni serja. Meta mqabbel mal-Fe4[Fe(CN)6]3 ta 'kwalità baxxa sintetizzati b'metodi tradizzjonali. Il-Fe4[Fe(CN)6]3 sintetizzat f'dan id-dokument jista 'effettivament inaqqas id-difetti tal-post battal u jirregola l-ilma tal-kristall fil-materjal, sabiex il-materjal ikollu prestazzjoni elettrokimika eċċellenti: Il-kapaċità speċifika b'rata ta' 1C hija għolja daqs 124 mAh · g-1, u l-kapaċità speċifika f'2C, 5C, 10C, 41, 20C u rata hija 10C , 1C 20C 105, 94, 83, 74 u 64 mAh·g-1, rispettivament, li juru prestazzjoni ta 'rata eċċellenti. Wara 500 ċiklu b'rata ta '5C, ir-rata ta' żamma tal-kapaċità hija qrib il-100 fil-mija, u turi stabbiltà taċ-ċiklu eċċellenti. Il-vultaġġ tax-xogħol tal-batterija sħiħa b'Fe4[Fe(CN)6]3 u fosfat tat-titanju tas-sodju bħala l-elettrodi pożittivi u negattivi huwa għoli daqs 1.9 V, u d-densità tal-enerġija tista 'tilħaq 126 Wh kg-1. Wara 140 darba ta 'ċarġjar u ħatt ta' kurrent kostanti b'rata ta '5C, ir-rata ta' żamma tal-kapaċità sħiħa tal-batterija hija 92 fil-mija, u l-effiċjenza Coulombic hija qrib il-100 fil-mija. Il-Fe4[Fe(CN)6]3 sintetizzat b'dan il-metodu li ma jagħmilx ħsara lill-ambjent u konvenjenti huwa mistenni li jintuża bħala l-materjal tal-katodu għal batteriji tal-jone Na akweju.

Tgħallem aktar dwar materjali tal-batterija tal-jone tas-sodju minnAmoytob.