Preparazione di nanocubi Fe4[Fe(CN)6]3 di alta qualità: come materiale catodico per batterie acquose agli ioni di sodio

WANG Wu Lian. Nanocubi Fe4[Fe(CN)6]3 di alta qualità: sintesi e prestazioni elettrochimiche come materiale catodico per batterie acquose agli ioni di sodio. Journal of Inorganic Materials[J], 2019, 34(12): 1301-1308 doi:10.15541/jim20190076

I nanocubi Fe4[Fe(CN)6]3 (HQ-FeHCF) di alta qualità sono stati sintetizzati con un semplice metodo idrotermale. La sua struttura, morfologia e contenuto idrico sono caratterizzati. Fe4[Fe(CN)6]3 presenta una forma cubica regolare con una dimensione uniforme di ca. 500 nm, che appartiene alla fase cubica a facce centrate. Fe4[Fe(CN)6]3 mostra capacità di scarica di 124, 118, 105, 94, 83, 74 e 64 mAh·g-1 a 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C e 40C rate, rispettivamente, in l'elettrolita acquoso ternario di NaClO4-H2O-polietilenglicole. La sua ritenzione di capacità rimane al 100% dopo 500 cicli di carica/scarica alla velocità di 5°C. È stata fabbricata la batteria completa con Fe4[Fe(CN)6]3 come catodo e NaTi2(PO4)3 come anodo, che fornisce una densità di energia specifica di 126 Wh·kg -1 (basata sui materiali dell'elettrodo attivo) con una tensione uscita di 1,9 V. Inoltre,

Preparazione dei materiali degli elettrodi

Utilizzando Na4Fe(CN)6 come singola fonte di ferro, i nanomateriali Fe4[Fe(CN)6]3(HQ-FeHCF) di alta qualità sono stati sintetizzati con un semplice metodo idrotermale. Inoltre, i nanomateriali Fe4[Fe(CN)6]3(LQ-FeHCF) di bassa qualità sono stati sintetizzati con metodi tradizionali per il confronto e sono state studiate la struttura, la morfologia e le proprietà elettrochimiche di HQ-FeHCF e LQ-FeHCF. Infine, utilizzando HQ-FeHCF come elettrodo positivo, NaTi2(PO4)3 come elettrodo negativo e NaClO4-H2O-polietilenglicole (PEG) come elettrolita, è stata assemblata una batteria acquosa agli ioni di sodio.

Preparazione di HQ-FeHCF e  LQ-  FeHCF

A temperatura ambiente, 4 g di polivinilpirrolidone K-30 (PVP) e 0,126 g di sodio ferrocianuro decaidrato sono stati aggiunti a 50 mL di acido cloridrico acquoso a pH=0,8, agitati per 1 ora e la soluzione è diventata gialla quando completamente dissolta. Quindi, la soluzione uniformemente agitata è stata posta in stufa a 80°C per 12 ore. La soluzione raffreddata a temperatura ambiente è stata centrifugata per ottenere un precipitato e lavata con acqua deionizzata. Dopo aver ripetuto 4 volte, il campione HQ-FeHCF è stato ottenuto essiccando in stufa a 80°C per 8 ore. 

Aggiungere rispettivamente 2,7 g di cloruro ferrico esaidrato e 3,6 g di ferrocianuro di sodio decaidrato in 100 mL di acqua deionizzata. Agitare a 60 °C fino a completa dissoluzione delle due soluzioni. Quindi la soluzione salina di cloruro ferrico esaidrato è stata aggiunta alla soluzione salina di ferrocianuro di sodio decaidrato per generare una grande quantità di precipitato blu scuro. Dopo incubazione a 60°C per 1 ora, la soluzione è stata centrifugata per ottenere un precipitato, che è stato lavato con acqua deionizzata quattro volte, e quindi essiccato in stufa a 80°C per 8 ore per ottenere il campione LQ-FeHCF.

I materiali per elettrodi preparati sono stati miscelati secondo il rapporto di m (materiale attivo): m (nero di acetilene): m (fluoruro di polivinilidene (PVDF))=75:15:10. Aggiungere una quantità appropriata di N-metilpirrolidone (NMP) e agitare per 8 ore, quindi distribuire uniformemente l'impasto liquido mescolato su una rete circolare in titanio con un diametro di circa 1,3 cm. Essiccarlo in forno a 80 gradi centigradi per 12 ore, quindi pressarlo in un foglio sottile con una pressa per compresse sotto una pressione di 10 MPa per realizzare un elettrodo funzionante. È stato assemblato un sistema a tre elettrodi utilizzando filo di platino come controelettrodo e cloruro d'argento come elettrodo di riferimento. Sono state testate la piattaforma di carica-scarica, le prestazioni di velocità e la stabilità del ciclo di HQ-FeHCF. Un foglio di elettrodo HQ-FeHCF con un diametro di 1,3 cm è stato utilizzato come elettrodo positivo (carico di materiale attivo di 1,14 mg). Il foglio dell'elettrodo NaTi2(PO4)3 è stato utilizzato come elettrodo negativo (il carico di materiale attivo era di 2,73 mg). È stata formata una batteria completa per il test delle prestazioni di carica-scarica a corrente costante e l'intervallo di tensione di carica-scarica a corrente costante del sistema di batterie era 0–2 V. La capacità di scarica dell'elettrodo e la densità di energia della batteria sono calcolate solo in base alla massa di il materiale attivo. L'elettrolita utilizza il sistema NaClO4+H2O+polietilenglicole (PEG).

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