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氰化物解毒剂启发的环境友好型单铁源法制备富钠和高结晶度普鲁士蓝正极材料

日期: 2025-05-27
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来源:中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心ChemSusChem

钠离子电池因其成本低、资源丰富等优势备受关注。普鲁士蓝类似物(PBAs)作为钠离子电池的正极材料之一,展现出高理论容量和良好的电化学性能,但传统的单铁源水热合成方法存在诸多安全与环保难题。比如在酸性条件下,氢离子促使金属-氰根基团解离,虽能实现 PBAs 的缓慢结晶,却因酸处理易释放有毒的氢氰酸(HCN),带来严重的安全隐患。此外,这种方法生成的 PBAs 常伴有结构缺陷、空位以及残留水分等问题,这些因素会显著降低钠离子电池性能,加速电池循环性能衰退。

近日,中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心申仲荣研究员、郑隽工程师团队从医学领域用于氰化物中毒的解毒剂硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)中获得灵感,将其引入单铁源水热合成法中。这一创新方法不仅有效解决了氢氰酸泄漏的风险,还促进了高结晶度、低缺陷的富钠PBAs 的形成。新方法的优势在:(1)安全无毒 :Na₂S₂O₃ 在合成过程中能将剧毒的氰根离子(CN⁻)转化为相对无害的硫氰根(SCN⁻),有效抑制 HCN 的产生,为操作人员的健康和环境安全提供了有力保障;(2)提升钠含量与结晶度 :Na₂S₂O₃ 创造的还原性气氛,有效地防止了 Fe²⁺ 氧化,确保了更多的钠离子能够嵌入 PBAs 框架中,从而使 PBAs 的钠含量显著提高,并且形成了更加规则、有序的晶体结构,有助于提升电池的性能和稳定性。(3)减少缺陷和水分 :与传统方法制备的 PBAs(简称 H-PB)相比,S-PB 的缺陷和空位减少,结晶水含量也有所降低,这有助于提高材料的结构稳定性和电化学性能,减少其在充放电过程中的结构变化和副反应。

通过一系列实验深入探究了 Na₂S₂O₃ 辅助合成 PBAs 的机制,对不同温度下的合成效果进行了考察,并合成出纯相的 PBAs,有效消除副产物和防止钠含量降低。通过对产物的结构、形貌和热稳定性等进行了详细表征,证实了 S-PB 相较于 H-PB 在结构和性能上的显著优势。在电化学测试中,S-PB 在电池的库仑效率、倍率性能和循环稳定性等方面也都表现出了更加优异的性能,这主要归功于其较高的钠含量、良好的结晶度和较低的缺陷水平,这些特点有助于钠离子在电极材料中的快速扩散和传输,从而提升普鲁士蓝钠离子电池性能。




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