中北大学Jiahao Li等–还原氧化石墨烯和纳米纤维素衍生的双碳涂层的Na3V2(PO4)3具有多孔结构用于高性能钠离子电池

Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP)的本征电导率限制了其进一步应用。本文提出了一种以还原氧化石墨烯(rGO)和纳米纤维素为额外碳源的原位合成多孔NVP的协同策略。具体而言，氧化石墨烯的碳化形成了高度石墨化的还原氧化石墨烯衬底，有效地阻碍了NVP颗粒的团聚。同时，纳米纤维素炭化生成无序薄碳涂层，与还原氧化石墨烯衬底构建相互连接的导电网络。双碳涂层网络显著提高了电子导电性，增强了动力学特性。此外，活性NVP晶粒在还原氧化石墨烯上外延均匀生长，形成多孔结构，有利于活性物质的进一步利用。样品中的介孔可以作为Na⁺的存储位点，为可逆容量提供电容性贡献，使其容量超过NVP的理论值。优化后的CNF-GC-3具有惊人的电化学性能。它在1C时的可逆比容量为123.77 mAh/g，在700次循环后仍保持99.70 mAh/g，相当于每循环的容量衰减率为0.028%。即使在60C，它仍然有95.59 mAh/g的放电容量。

图1. CNF-GC-x样品的合成流程图。

图2. (a-d) CNF-GC-x的高分辨率SEM图像。(e) CNF-GC-3的EDS映射图像。(f) CNF-GC-3的SEM图像。(g-h) 不同的速率时CNF-GC-3的TEM/HRTEM图像。

图3. (a) CNF-GC-x的XRD图谱。(b) CNF-GC-3的Rietveld细化XRD图谱。

图4. (a) CNF-GC-x的TGA曲线。(b) CNF-GC-3的拉曼光谱。

图5. CNF-GC-3的(a)XPS测量光谱及相应的V 2 p (b)、Na 1 s (c)、O 1 s (d)和C 1 s (e)的高分辨率光谱。(f) CNF-GC-3的N₂吸附解吸等温线和孔径分布图(插图)。

图6. NVP和CNF-GC-x在0.1C (a)和1C (b)时的初始GCD剖面。(c) NVP和CNF-GC-x的倍率能力。(d) 不同的高倍率时CNF-GC-3的恒流电压分布图。(e) 不同的高倍率时CNF-GC-3的循环性能。(f) CNF-GC-3与以前其他报告的综合性能比较。

图7. (a)扫描速率为0.1 mV s^-1时CNF-GC-3和NVP/C的CV曲线。(b)不同扫描速率下的CV曲线。(c) CNF-GC-3的Ip vs v^1/2曲线。(d) log v vs log i的线性拟合。(e)带等效电路模型插入的两电极带电态Nyquist图。(f) NVP/C与CNF-GC-3的 ‘ Z’-ω^-0.5线性关系。

图8. CNF-GC-3多孔双碳导电结构示意图。

相关研究成果由中北大学材料科学与工程学院Jiahao Li和Yanjun Chen等人于2023年发表在Applied Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155553)上。原文：Dual-carbon coated Na₃V₂(PO₄)₃ derived from reduced graphene oxide and nanocellulose with porous structure for high performance sodium-ion batteries。