前言
在众多储能技术中,锂离子电池在能源存储和转化方面具有重要意义。目前占据便携式移动电子设备的主要市场,同时全球电动车市场也在飞速发展,将导致锂的需求量增加。然而,地球上锂资源相对有限,锂价格昂贵,难以满足日益发展的需求。钠离子电池由于钠资源的丰富和低成本而引起了极大的关注,开发可替代的低成本钠离子电池成为发展重点。
钠离子电池的优缺点
储钠材料Na4Fe3(PO4)2P2O7
钠离子电池因资源丰富、环境友好等特性,在储能领域的应用备受关注。正负极材料的开发是钠离子电池技术商业化的关键。目前已有大量的钠离子电池正极材料被报道,只有极少部分材料表现出了良好的电化学性能,如钒基磷酸盐、铁基磷酸盐和普鲁士蓝类似物。并且,在实验室成果商业化的过程中,这些材料也面临着一些严重的问题,如钒基材料的高毒性和高成本,普鲁士蓝类似物的结构不稳定性。在铁基磷酸盐中,磷酸焦磷酸铁钠(Na4Fe3(PO4)2P2O7)综合了所有铁基磷酸盐的优点:低成本、环境友好,高理论容量(129mAh g-1),高平均工作电压(约3.1V (vs.Na+/Na))和低体积膨胀(<4%),被认为最具潜力的钠离子电池正极材料。
在结构方面而言,Na4Fe3(PO4)2P2O7(NFPP)具有便捷的三维Na+传输通道,结构稳定,体积应变小(< 4%)的优点。然而,PO43-基团固有的隔离特性导致其电子导电性较差。研究人员开发了许多方法来提高其电子导电性和离子传导性,如通过两步固相法制备纳米颗粒、溶胶凝胶法制备纳米片和喷雾干燥法制备纳米球,对NFPP进行碳包覆,制备分级碳修饰NFPP/C纳米纤维等显著提升了NFPP的储钠电化学性能。
商业化生产上也会对该钠离子电池正极材料NFPP从结构上引入铁缺陷,仅通过降低原料中铁源含量即可简单制备得到,无需新的原料和额外的合成工艺,对现有的制造工艺影响极小,易控制,制备得到的NFPP/C纯度高,结晶度好,离子和电子导电率高,大大提高了正极材料的比容量和倍率性能,适宜于大规模生产应用。商业化的NFPP一般需要在配方比例、温度控制、保温时间等工艺段严格把控,确保合成目标产物的纯度达标。X射线衍射仪能够现场快速采集图谱甄别杂质相(原料相残存、副反应产物)的衍射峰,从而为研发生产中工艺参数快速调整提供强有力的数据支持。
1.沿着三维方向上拥有Pn21a空间群的Na4Fe3(PO4)2P2O7的多面体结构视图
本文使用VESTA程序绘制Na4Fe3(PO4)2P2O7晶体结构示意图,如图1示,根据以往的研究报告,Na4M3(PO4)2P2O7[M= Fe, Co, Ni, Mn, Mg ]属于Pn21a空间群。FeO6八面体之间以共边或共角连接,PO4四面体通过连接FeO6八面体从而形成沿b-c平面方向的一个层状单元[M3P2O13],这些层状单元在a轴方向上通过P2O7基团连接从而形成了Na4Fe3(PO4)2P2O7的立体框架结构,这样所形成的三维网络结构在a、b、c三个方向上都存在钠离子扩散通道,在这一结构中存在着四个不同的钠位。四种类型的Na+位点位于3D离子通道中(如图1),与1D离子通道中的离子扩散率相比,3D离子通道在离子扩散率会有更大优势,这是由于其他可选离子扩散路径的存在。即使在3D离子通道的一个方向上基团离子迁移率存在缺陷,也存在其他可替代的扩散路径。
应用案例
(1)样品/制样
本实验采用beplay2网页登录 的FRINGE CLASS桌面式X射线衍射仪,对某公司提供的电极材料进行检测。
图2. 待测电池材料
(2)测试参数设置
仪器型号 | FRINGE CLASS |
靶材 | Cu靶 |
管压 | 30kV |
管流 | 16mA |
测试范围 | 7-62° |
步长 | 0.02°/step |
积分时间 | 240ms/step |
(3)结果与结论
图3. 04040408-150-1衍射图谱
图4. 04010408-150-1衍射图谱
图5. 0331A0407-150-1衍射图谱
图6. 三种不同批次电极材料的X射线衍射图谱
图7. 三种不同批次电极材料的首次充放电比容量对比图
(4)分析结果
1、图4-7所示的衍射图谱表明三种批次电极材料均为Na4Fe3(PO4)2P2O7,对应的PDF卡片为97-023-6316。
2、从图7所示的三种批次电极材料的衍射图谱对比来看,虚线框所展示的信息是在32.5°~33.1°杂质相衍射峰强度差异。在此峰位处的衍射强度代表杂质相含量的高低,而Na4Fe3(PO4)2P2O7纯度直接影响其电池比容量。其与图8所示的首次充放电比容量对比图相对应。
(5)结论
FRINGE CLASS采集电池材料的衍射图谱,能够为电池材料的研发、生产、质量管控等提供强有力的数据支撑,如生产质量管控中快速预估批次材料的电池性能,为快速调整产线工艺确保高效的生产质量。