Гидротермальный синтез и исследование NA2FEPO4F IN Operando как катодного материала литий- и натрий-ионных аккумуляторов

Терещенко И.В., Скорупский Г.А., Дрожжин О.Д., Антипов Е.В. Сколковский институт науки и технологий, Москва Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, химический факультет, Москва.

Фторидофосфат Na2FePO4F представляет перспективный класс соединений для использования в катодных материалах литий- и натрий-ионных аккумуляторов по трем причинам:

• его слоистая структура позволяет относительно быструю диффузию ионов лития и натрия;
• он более термически стабилен по отношению к электролитам по сравнению с оксидными материалами;
• и наконец – абсолютное отсутствие дорогостоящих химических элементов.

Кроме того, присутствие двух щелочных катионов в формульной единице дает теоретическую возможность существования многоэлектронного перехода для катионов железа, что приводит к более высоким значениям теоретической емкости (124 мАч/г на 1 ион Na).

В настоящей работы мы произвели гидро- и сольвотермальный синтез Na2FePO4F и изучили его морфологию и электрохимические свойства в зависимости от условий синтеза. Предложена новая масштабируемая методика частиц Na2FePO4F, покрытых углеродом. Полученные материалы на основе Na2FePO4F в натриевой полуячейке демонстрируют более 50% от теоретической емкости на 1 ион щелочного металла при разряде за 20 минут. Химические коэффициенты диффузии, а также доля однофазного и двухфазного механизмов (де)интеркаляции Li/Na рассчитаны из данных PITT (рис. 1). Исследование in operando в литиевой и натриевой полуячейках уже при первом заряде позволило обнаружить различие процессов, происходящих в структуре.

Рис. 1. а) Вклад однофазного механизма (де)интеркаляции Li/Na в (Na,Li)₂FePO₄F (выражено в f, f = 0 соответствует целиком двухфазному и f = 1 соответствует целиком однофазному механизму) на различных стадиях заряда, b) химические коэффициенты диффузии Li/Na в (Na, Li)₂FePO₄F

Работа была выполнена при поддержке РФФИ (грант 14-29-04064) и Программы развития МГУ