对苯二酚钠正极材料的制备及在钠离子电池中的应用

doi:10.7503/cjcu20230158

摘要/Abstract

摘要：

相比于无机电极材料, 有机电极材料具有资源丰富、绿色环保、可再生及比容量高等优点, 是一类十分具有发展潜力的钠离子电池电极材料. 其中, 还原态的有机电极材料可以与技术成熟的硬碳等负极进行匹配, 更加具有实际应用的前景. 然而, 目前还原态有机正极材料在制备与钠离子电池应用方面仍存在较大的挑战. 本文利用氢氧化钠水溶液, 在无氧条件下与过量的对苯二酚反应, 随后通过加热方法制备了钠化有机电极材料对苯二酚钠, 并将其作为正极材料应用于钠离子电池. 该制备方法操作简便、不需要使用有机溶剂、原材料利用率高, 具有规模化制备的前景. 使用该方法制备的对苯二酚钠电极材料在0.1C倍率下首次放电比容量为182 mA·h/g; 使用6 mol/kg 双(三氟甲基磺酰)亚胺钠/乙二醇二甲醚高浓度电解液可使材料循环性能得到明显提升, 循环30次后容量保持率为62%, 而使用常见的1 mol/L NaPF₆/G2电解液时, 循环10次后容量保持率仅有35%.

关键词: 钠离子电池, 正极材料, 有机电极材料, 对苯二酚钠

Abstract:

Organic electrode materials are very promising for sodium-ion batteries because they have the advantages of abundant resources， environmental friendliness， recyclability， and high specific capacity against inorganic electrode materials. Among them， the organic electrode materials at reduced states can be matched with anode such as hard carbon， which makes them more promising for practical applications. However， the synthesis and application of organic cathode materials at reduced states for sodium-ion batteries are still challenging. Here we reported the successful synthesis of disodium hydroquinone and its application as cathode material for sodium-ion batteries. The synthesis was conducted by the reaction between sodium hydroxide and excess hydroquinone to generate monosodium hydroquinone， followed by heating to produce disodium hydroquinone and removing excess hydroquinone. This method is free of organic solvent， and exhibits the features of high utilization of raw materials and promises for large-scale production. When used as cathode material in sodium-ion batteries， disodium hydroquinone shows a discharge specific capacity of 182 mA·h/g at 0.1C in the first cycle. To mitigate the dissolution of disodium hydroquinone during charge/discharge processes， 6 mol/kg NaTFSI/DME was used as electrolyte， resulting in an improved capacity retention of 62% after 30 cycles. In contrast， the capacity retention is only 35% after 10 cycles in common 1 mol/L NaPF₆/G2 electrolyte. This work provides new insights into the preparation and sodium-ion battery application of sodiated organic cathode materials at reduced states.

Key words: Sodium-ion battery, Cathode material, Organic electrode material, Disodium hydroquinone

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 3

Fig.1 IR spectra of H2Q, NaHQ, Na2Q and sublimation(A), TGA curves of NaHQ and Na2Q(B), Raman spectrum of Na2Q(C), solid 13C NMR spectra of H2Q, NaHQ and Na2Q(D), XRD pattern(E) and SEM image(F) of Na2Q

Fig.2 In situ UV⁃Vis spectra(A, D), corresponding discharge⁃charge curves(B, E) and optical photograph after cycling(C, F) of Na2Q in 1 mol/L NaPF6/G2 electrolyte(A—C) and 6 mol/kg NaTFSI/DME electrolyte(D—F)

Fig.3 CV curve of Na2Q in 6 mol/kg NaTFSI/DME electrolyte(A), discharge⁃charge profiles of Na2Q in 1 mol/L NaPF6/G2 electrolyte(B) and 6 mol/kg NaTFSI/DME electrolyte(C), and cycling performance of Na2Q in 1 mol/L NaPF6/G2 electrolyte and 6 mol/kg NaTFSI/DME electrolyte(D)

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