1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 7, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 7, стр. 369-377

Структура и электрохимические свойства катодных материалов (Na3V2 − xScx(PO4)3) для натрий-ионных аккумуляторов

Т. И. Перфильева a, *, А. М. Алексеева a, О. А. Дрожжин a, Е. В. Антипов a, b

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
Москва, Россия

b Сколковский институт науки и технологии
Москва, Большой бул., 30, стр. 1, Россия

* E-mail: tatjana.perf@yandex.ru

Поступила в редакцию 03.08.2022
После доработки 22.11.2022
Принята к публикации 28.11.2022

Аннотация

Твердые растворы Na3V2 −xScx(PO4)3 (0 < x < 2) синтезированы золь–гель-методом с дальнейшим отжигом в инертной атмосфере. Методом порошковой рентгеновской дифракции проведено структурное исследование соединений Na3V2 −xScx(PO4)3 (x = 0.5, 1.2). По мере увеличения степени замещения наблюдается закономерный рост параметров и объема элементарной ячейки с сохранением структурного типа NASICON. Электрохимические свойства материалов Na3V2 −xScx(PO4)3/C в качестве катодов для натрий-ионных аккумуляторов исследованы в натриевых полуячейках в различных диапазонах потенциалов: 2.5−3.8 В, 2.5−4.5 В и 1.0−4.5 В отн. Na/Na+. На зарядных кривых для всех материалов присутствуют два плато: при ≈3.5 и ≈4 В отн. Na/Na+, соответствующие последовательным переходам V3+/V4+ и V4+/V5+, однако только для материала Na3V1.5Sc0.5(PO4)3/C высоковольтное плато является обратимым при последующем разряде. Это делает возможным стабильное обратимое циклирование этого материала в интервале потенциалов 1.0−4.5 В отн. Na/Na+ с емкостью более 170 мА ч г−1, что соответствует (де)интеркаляции 3Na+ на формульную единицу.

Ключевые слова: натрий-ионный аккумулятор, катодные материалы, NASICON

Список литературы

  1. Tsiropoulos, I., Tarvydas, D., and Lebedeva, N., EUR 29440 EN, Li-ion batteries for mobility and stationary storage applications Scenarios for costs and market growth, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2018, p. 67.

  2. Vaalma, C., Buchholz, D., Weil, M., and Passerini, S., A cost and resource analysis of sodium-ion batteries, Nat. Rev. Mater., 2018, vol. 3, p. 18013.

  3. Rajagopalan, R., Zhang, Z., Tang Y., Jia, C., Xiaobo, Ji, and Wang, H., Understanding crystal structures, ion diffusion mechanisms and sodium storage behaviors of NASICON materials, Energy Storage Materials, 2021, vol. 34, p. 171.

  4. Hong, H.Y.-P., Crystal structures and crystal chemistry in the system Na1 +xZr2SixP3 –xO12, Mater. Res. Bull., 1976, vol. 11, p. 173.

  5. Goodenough, J.B., Hong H.Y.P., and Kafalas, J., Fast Na+-ion transport in skeleton structures, Mater. Res. Bull., 1976, vol. 11, p. 203.

  6. Rajagopalan, R., Chen, B., Zhang, Z., Wu, X.-L., Du, Y. Huang, B., Li, Y., Zong, J., Wang, G.-H., Nam, M., Sindoro, S.X., Dou, H.K., Liu, H., Zhang, Improved Reversibility of Fe3+/Fe4+Redox Couple in Sodium Super Ion Conductor Type Na3Fe2(PO4)3 for Sodium-Ion Batteries, Adv. Mater., 2017, vol. 29, p. 1605694.

  7. Samigullin, R., Drozhzhin, O., and Antipov, E., Comparative Study of the Thermal Stability of Electrode Materials for Li-Ion and Na-Ion Batteries, ACS Appl. Energy Mater., 2022, vol. 5, p. 14.

  8. Wang, J., Wang, Y., Seo, D., Shi, T., Chen, S., Tian, Y., Kim, H., and Ceder, G., A High-Energy NASICON-Type Cathode Material for Na-Ion Batteries, Adv. Energy Mater., 2020, vol. 10, p. 1903968.

  9. Zhang, X., Rui, X., Chen, D., Tan, H., Yang, D., Huang, S., and Yu Y., Na3V2(PO4)3: an advanced cathode for sodium-ion batteries, Nanoscale, 2019, vol. 11, p. 2556.

  10. Saravanan, K., Mason, C., Rudola, A., Wong, K., and Balaya, P., The First Report on Excellent Cycling Stability and Superior Rate Capability of Na3V2(PO4)3for Sodium Ion Batteries, Adv. Energy Mater., 2013, vol. 3, p. 444.

  11. Jian, Z., Sun, Y., and Ji, X., A new low-voltage plateau of Na3V2(PO4)3as an anode for Na-ion batteries, Chem. Commun., 2015, vol. 51, p. 6381.

  12. Jian, Z., Han, W., Lu, X., Yang, H., Hu, Y.-S., Zhou, J., Zhou, Z., Li, J., Chen, W., Chen, D., and Chen, L., Superior Electrochemical Performance and Storage Mechanism of Na3V2(PO4)3 Cathode for Room-Temperature Sodium-Ion Batteries, Energy Mater., 2013, vol. 3, p. 156.

  13. Zhou, W., Xue, L., Lu, X., Gao, H., Li, Y., Xin, S., Fu, G., Cui, Z., Zhu, Y., and Goodenough, J., NaxMV(PO4)3 (M = Mn, Fe, Ni) Structure and Properties for Sodium Extraction, J. Amer. Chem. Soc., 2016, vol. 16, p. 7836.

  14. Zakharkin, M., Drozhzhin, O., Tereshchenko, I., Chernyshov, D., Abakumov, A., Antipov, E., and Stevenson, K., Enhancing Na+ Extraction Limit through High Voltage Activation of the NASICON-Type Na4MnV(PO4)3 Cathode, ACS Appl. Energy Mater., 2018, vol. 1, p. 5842.

  15. Zakharkin, M., Drozhzhin, O., Ryazantsev, S., Chernyshov, D., Kirsanova,M., Mikheev, I., Pazhetnov, E., Antipov, E., and Stevenson, K., Electrochemical properties and evolution of the phase transformation behavior in the NASICON-type Na3 +xMnxV2 –x(PO4)3(0 ≤ ≤ x ≤ 1) cathodes for Na-ion batteries, J. Power Sources., 2020, vol. 470, p. 228231.

  16. Aragón, M.J., Lavela, P., Alcántara, R., and Tirado, J.L., Effect of aluminum doping on carbon loaded Na3V2(PO4)3as cathode material for sodium-ion batteries, Electrochim. Acta, 2015, vol. 180, p. 824.

  17. Wang, Q., Zhao, Y., Gao, J., Geng, H., Li, J., and Jin, H., Triggering the Reversible Reaction of V3+/V4+/V5+in Na3V2(PO4)3by Cr3+ Substitution, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, vol. 12, p. 50315.

  18. Liu, R., Xu, G., Li, Q., Zheng, S., Zheng, G., Gong, Z., Li, Y., Kruskop, E., Fu, R., Chen, Z., Amine, K., and Yang, Y., Exploring Highly Reversible 1.5-Electron Reactions (V3+/V4+/V5+) in Na3VCr(PO4)3 Cathode for Sodium-Ion Batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, vol. 9, p. 43639.

  19. Lalère, F., Seznec, V., Courty, M., David, R., Chotard, J.N., and Masquelier, C., Improving the energy density of Na3V2(PO4)3-based positive electrodes through V/Al substitution, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 16198.

  20. Inoishi, A., Yoshioka, Y., Zhao, L., Kitajou, A., and Okada, S., Improvement in the Energy Density of Na3V2(PO4)3 by Mg Substitution, ChemElectroChem, 2017, vol. 4, p. 2755.

  21. Singh, B., Wang, Z., Park, S., Sai Gautam, G., Chotard, J.-N., Croguennec, L., Carlier, D., Cheetham, A.K., Masquelier, C., and Canepa P., A Chemical Map of NASICON Electrode Materials for Sodium-ion Batteries, J. Mater. Chem. A, 2021, vol. 9, p. 281.

  22. Boivin, E., Chotard, J.-N., Masquelier, C., and Croguennec, L., Towards Reversible High-Voltage Multi-Electron Reactions in Alkali-Ion Batteries Using Vanadium Phosphate Positive Electrode Materials, Molecules, 2021, vol. 26, p. 1428.

  23. Perfilyeva, T., Drozhzhin, O., Alekseeva, A., Zakharkin, M., Mironov, A., Mikheev, I., Bobyleva, Z., Marenko, A., Marikutsa, A., Abakumov, A., and Antipov, E., Complete Three-Electron Vanadium Redox in NASICON-Type Na3VSc(PO4)3 Electrode Material for Na-Ion Batteries, J. Electrochem. Soc., 2021, vol. 168, p. 110550.

  24. Shannon, R., Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides, ActaCryst., 1976, vol. A32, p. 751.

  25. STOE Win XPOW, Version 1.2 (27-Jul-2001), 2000 STOE, Cie GmbH, Hilpert str. 10, D64295 Darmstadt.

  26. Petrícek, V., Dušek, M., and Palatinus, L., Crystallographic computing system JANA2006: General features, Zeitschrift fur Krist., 2014, vol. 229, p. 345.

  27. ICDD PDF-2, International Center for Diffraction Data, Newton Square, USA, 1998.

  28. ICDD PDF-4+, International Center for Diffraction Data, Newton Square, USA, 2020.

  29. Jian, Z., Zhao, L., Hu, Y.-S., Li, H., Chen, W., and Chen, L., Carbon coated Na3V2(PO4)3 as novel electrode material for sodium ion batteries, Electrochem. Commun., 2012, vol. 14, p. 86.

  30. Liu, R., Zheng, S., Yuan, Y., Yu, P., Liang, Z., and Zhao, W., Counter-Intuitive Structural Instability Aroused by Transition Metal Migration in Polyanionic Sodium Ion Host, Adv. Energy Mater., 2021, vol. 11, p. 2003256.

  31. Kim, S., Zhang, Z., Wang, S., Yang, L., Cairns, E.J., Penner-Hahn, J.E., and Deb, A., Electrochemical and Structural Investigation of the Mechanism of Irreversibility in Li3V2(PO4)3 Cathodes, J. Phys. Chem. C, 2016, vol. 120, p. 7005.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал