王军虎等利用原位穆斯堡尔谱技术揭示钠离子电池正极工作机制

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近日，我所能源研究技术平台穆斯堡尔谱研究组（DNL2005组）王军虎研究员团队与储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员、郑琼副研究员团队，法国蒙彼利埃大学Moulay Tahar Sougrati博士合作，通过原位穆斯堡尔谱技术揭示普鲁士蓝正极材料在钠离子电池中的充放电机理及容量衰变机制，为其进一步优化提供了新思路。
　　正极材料对钠离子电池的性能起着至关重要的作用。近年来，普鲁士蓝类材料由于具有高理论比容量、长循环寿命、环保价廉等优点被广泛研究，但实际应用过程中，其通常存在性能不达标等问题。工作机制的研究对于提高电极材料的性能有着重要作用，但目前研究者对于普鲁士蓝类材料的充放电机制研究仍十分不足，尤其是通过原位手段对材料进行在线观测存在挑战。

　　本工作中，研究团队通过共沉淀法制备了一种富Na普鲁士蓝材料，作为钠离子电池正极，其表现出优异的性能，循环稳定性优于大部分已报道的普鲁士蓝类材料（在120mA g-1电流密度下，980个循环后，容量保持率为81%）。此外，团队通过原位穆斯堡尔谱技术对钠离子电池的工作过程进行在线探测，结合低温77K穆斯堡尔谱、原位X射线衍射及同步辐射X射线吸收谱，阐明了普鲁士蓝正极材料的工作机制。研究发现，高低自旋铁的反应随充放电的进行分步发生，高自旋铁贡献大部分的比容量，而低自旋铁仅有部分参加反应，降低了电池的比容量。但是，等量的高自旋铁和低自旋铁在发生氧化还原的过程中，低自旋铁会带来更加强烈的局域形变，从而影响材料的稳定性。因此，该正极材料具有优异稳定性的原因一方面可以归因于在充放电过程中微小的晶格参数变化，另一方面则是由于较少的低自旋铁参与了反应。该工作建立并使用了离子电池原位穆斯堡尔谱技术，为开发高容量、优循环稳定性的普鲁士蓝类正极材料提供了新思路。
　　相关研究成果以“Sodium storage and capacity retention behavior derived from high-spin/low-spin Fe redox reaction in monoclinic Prussian blue based on operando Mõssbauer characterization”为题，发表在《纳米能源》（Nano Energy）上。该工作的第一作者是我所DNL2005组博士研究生王子楠。该工作得到中科院国际合作伙伴计划、中科院国际人才计划等项目的资助。（文/图 王子楠）
　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108256
         文章来源：大连化物所
      王军虎，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1968年生，甘肃敦煌市人。1991年毕业于兰州大学现代物理系放射化学专业，1994年赴日留学，2002年获日本东邦大学理学博士学位 (与日本原子力研究所联合培养)。毕业后先后在日本物质材料研究机构、产业技术综合研究所、中京大学、野浪科学株式会社从事光催化复合材料和穆斯堡尔谱学的研究。2007年至今在中国科学院大连化学物理研究所工作,为中国科学院引进国外杰出人才“百人计划”入选者。2009年当选国际穆斯堡尔谱学应用研究领域新领军人物（共11人，为唯一亚洲代表）。2010年任国际穆斯堡尔数据中心秘书长，Mössbauer Effect Reference and Data Journal (ISSN0163-9587)责任编辑。2011年任中国核物理学会理事及穆斯堡尔专业委员会委员。2012年做为负责人主办第8届穆斯堡尔效应工业应用国际会议（ISIAME2012），参加中澳青年科学家交流计划。目前主要从事原位穆斯堡尔谱学在化学和催化中的应用、新型铁基•锡基多相催化材料、光催化纳米复合材料和羟基磷灰石基功能材料的开发及其在环境和能源领域的应用等研究。