封面文章:新型阴离子转化材料Cu₃(PO₄)₂用于水系双离子电池

近年来,水系双离子电池作为新型储能器件,其发展受到了广泛的关注。传统的水系双离子电池以Ag或者Bi作为阴离子吸收电极,具有价格过高和使用条件苛刻等特点,不利于其后续发展。因此,本工作着眼于研究新型阴离子转化材料,为水系双离子电池的发展提供一条思路。

Cu₃(PO₄)₂: Novel Anion Convertor for Aqueous Dual‑Ion Battery
Haoxiang Yu, Chenchen Deng, Huihui Yan, Maoting Xia, Xikun Zhang, Zhen-Bo Wang*, Jie Shu*

Nano-Micro Letters (2021)13: 41

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00576-1

本文亮点

1. 首次提出以Cu₃(PO₄)₂作为新型阴离子电极
2. 阐述了Cu₃(PO₄)₂的电化学反应机理
3. 使用Na₀.₄₄MnO₂和预处理的Cu₃(PO₄)₂构建了一种双离子电池
内容简介

宁波大学舒杰团队与哈尔滨工业大学王振波团队合作,提出一种水系双离子电池的新型阴离子电极材料——Cu₃(PO₄)₂。这种材料通过普通沉淀法制备,根据物理表征测试,材料由两种物相组成,分别为Cu₃(PO₄)₂和Cu₃(PO₄)₂·3H₂O。此材料可在准中性的环境中运行;同时,其可提供115.6 mAh/g的容量。其充电电压平台为-0.17 V (相对于氯化银电极)。

机理研究显示:Cu₃(PO₄)₂在放电过程中先转化为Cu₂O,继而转化为Cu;而在充电过程中,Cu却只能被氧化成Cu₂O。这表明不可逆容量来自于Cu₃(PO₄)₂转化为Cu₂O;Cu₃(PO₄)₂在首次放电过后,其电位与OH⁻浓度有关。此外,本工作还以预处理的Cu₃(PO₄)₂为负极,Na₀.₄₄MnO₂为正极构建了水系双离子电池,这种电池可提供52.6 mAh/g的放电容量,其工作电压在0.7和0.45 V,展现出一定的应用潜质。

图文导读

I Cu₃(PO₄)₂的物理表征与电化学性能

根据Cu₃(PO₄)₂溶度积较高的特点,对其使用简便的沉淀法进行制备。干燥后的Cu₃(PO₄)₂是天蓝色的粉末(图1a),其X射线粉末衍射图谱(图1b)显示此粉末由两种物相组成,分别是Cu₃(PO₄)₂和Cu₃(PO₄)₂·3H₂O;同时,粉末衍射峰的半峰宽较大,表明粉末物相的晶粒较小。图1c,d显示的是Cu₃(PO₄)₂的恒电流充放电曲线以及相应循环性能。Cu₃(PO₄)₂的首圈放电平台位于−0.14和−0.40 V,然而,其充电平台只有一个,位于−0.17 V,这表明首圈存在中间产物且首圈的不可逆容量也由此造成。在循环至第二圈和第三圈时,不可逆容量消失,可逆容量保持在132.6和129.9 mAh/g。即使在145圈之后,可逆容量也能维持在96 mAh/g。这表明Cu₃(PO₄)₂电极具有良好的循环性能。
图1. (a) Cu₃(PO₄)₂的数码照片。(b) Cu₃(PO₄)₂的粉末衍射图谱。(c) Cu₃(PO₄)₂的恒电流充放电曲线及(d) 相应的循环性能曲线。
II Cu₃(PO₄)₂的电化学反应机理
图2显示的是利用XRD技术获得的充放电过程中Cu₃(PO₄)₂电极衍射图谱序列。当Cu₃(PO₄)₂电极放电至第一个放电平台(−0.14 V)时,Cu₂O的(111)晶面和(200)晶面出现了,表明在放电时,Cu₃(PO₄)₂和Cu₃(PO₄)₂·3H₂O逐渐分解为Cu₂O。当电极持续放电直到−0.7 V时,Cu₂O继续被还原,最后生成Cu。因此可以断定,在放电过程中产生的中间产物为Cu₂O。而在充电过程中,Cu仅仅被氧化成Cu₂O。这就是为什么在首圈中存在不可逆容量的原因。因此,Cu₃(PO₄)₂粉末的电化学反应机理如图2d所示。

 

图2. (a) 充放电过程中的Cu₃(PO₄)₂粉末衍射图谱序列。相应放大的等高线彩图在(b) 5-14°区间以及(c) 35.5-52.5°区间。(d) Cu₃(PO₄)₂在电化学反应过程中的反应机理。
III 水系双离子电池的构建
根据Cu₃(PO₄)₂的反应机理,Cu₃(PO₄)₂在充放电过程中与H₂O/OH⁻反应,而不是PO₄³⁻。因此,双离子电池的构建将以Na₀.₄₄MnO₂为正极,以Cu₃(PO₄)₂为负极。为了消除Cu₃(PO₄)₂在首圈的不可逆容量,Cu₃(PO₄)₂需要经过预处理,即Cu₃(PO₄)₂预先在电池中循环一周。图3a显示的是双离子电池的示意图。在充电过程中,Na⁺从Na₀.₄₄MnO₂中脱出,H₂O与预处理的Cu₃(PO₄)₂转化为OH⁻;放电过程中,Na⁺嵌入Na₀.₄₄MnO₂,OH⁻转化为H₂O。图3b显示的是双离子电池的充放电曲线。其提供的放电容量为52.6 mAh/g,放电平台维持在0.7以及0.45 V。这电压平台相较于近期报道的海水淡化电池(如Na₂Mn₅O₁₀//AgCl,TiS₂//K20和BiOCl//Na₀.₄₄MnO₂)更高。详细的对比信息所示于图3c。此外,此Na₀.₄₄MnO₂//预处理的Cu₃(PO₄)₂双离子电池的循环性能也较为可观(图3d),表现出应用潜力。
图3. (a) 构建的Na₀.₄₄MnO₂/预处理的Cu₃(PO₄)₂双离子电池在充电和放电时的示意图。(b) 双离子电池的充放电曲线。(c) 双离子电池电压与以往文献中水系电池电压的对比。(c) 双离子电池的循环性能曲线。
作者简介

王振波

本文通讯作者

哈尔滨工业大学 教授

主要研究领域

锂离子电池、锂聚合物电池及电极材料关键制备技术,锂硫电池及其关键技术,钠离子电池及其关键材料研究,质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池及催化剂制备和电催化机理研究,超级电容器及其关键材料制备技术,铝空气电池、铝氧化银电池,阀控铅酸蓄电池、管式胶体电池、超级铅酸蓄电池。

主要研究成果

在Nat. Catal., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等高影响力学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文200余篇,17篇论文入选ESI十年高引用论文,4篇论文入选ESI热点论文,获得授权发明专利58项,获黑龙江省科学技术一等奖2项、浙江省科技成果转化二等奖1项、哈尔滨工业大学教学成果一等奖1项。

Email: wangzhb@hit.edu.cn

个人主页

homepage.hit.edu.cn/wangzhenbo1008

舒杰

本文通讯作者

宁波大学 教授

主要研究领域

二次电池材料与体系,包括水系与非水系单价离子电池、多价离子电池和双离子电池。

主要研究成果

近二十年来一直从事电化学储能材料与技术的研究,在Mater. Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater.等高影响力学术期刊以通讯作者发表论文200余篇,获得授权发明专利20余项,获浙江省高校优秀科研成果奖等奖项10余项。

Email: shujie@nbu.edu.cn

个人主页

fmsce.nbu.edu.cn/info/1055/4136.htm
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编辑:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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