新研究提高了新电极材料的容量

根据最近发表在AdvancedScience上的一项研究，科学家们成功地提高了新型电极材料Na3V2(PO4)3(NVP)的比容量。他们还发现了其相对奇特的外在赝电容行为。

中国科学院合肥物质科学研究院赵邦川研究员课题组开展的这项工作，通过降低材料的结晶度，有效激活了NVP结构中的M1位点，实现了可逆插入和去除三个钠离子。

NVP具有六角形NASICON(或钠超离子导体)结构。钠离子占据两个不等的威科夫位点，其中1/3位于6b位点(M1)，2/3位于18e位点(M2)。从热力学平衡和动力学的角度来看，M1位点的钠离子很难参与氧化还原反应。在充电和放电过程中没有电化学反应。

钠离子的可逆插入和去除仅发生在M2位点。只有两个钠离子通过V4+/V3+氧化还原对参与电化学反应。因此，NVP的理论比容量仅为117.6mAhg-1。能否通过激活M1位点和利用V5+/V4+氧化还原反应来提高NVP的比容量是该领域的一大挑战。

本工作采用静电喷涂法将NVP前驱体沉积在泡沫碳基体上，通过控制退火温度来调节NVP的结晶度。获得了两种NVP材料，NVP-E600和NVP-E700。相应的退火温度分别为600和700摄氏度。

以纳米晶和非晶相共存结构NVP材料为正极，金属钠片为对电极，组装纽扣电池，并对其储钠性能进行了评价。

结果表明，由于三个钠离子的可逆脱嵌，纳米晶和非晶相共存结构的NVP材料具有优异的倍率性能和循环稳定性。0.2C时的比容量为179.6mAhg-1(1C=117.6mAg-1)，200次循环后容量保持率为99.6%。即使在10C的高倍率下，它也有73.5mAhg-1的比容量。

电化学阻抗谱和循环伏安曲线测试结果表明，这种无序NVP材料具有很强的电化学反应动力学，电荷存储主要为赝电容性，这与具有电池型电荷存储行为的结晶NVP有很大区别。

高度无序材料中的外在赝电容行为可归因于无序结构的引入改变了NVP材料中钠离子之间的相互作用，使充放电过程从原来的两相反应变为单相反应反应。这导致平台在充放电曲线和循环伏安曲线的矩形中消失。

该团队表示，这证明了无序结构对于钠离子电池NVP阴极中三电子反应过程和外在赝电容的重要性。