Preparação de nanocubos de Fe4[Fe(CN)6]3 de alta qualidade: como material de cátodo para bateria aquosa de íons de sódio

WANG Wu-Lian. Nanocubos de Fe4[Fe(CN)6]3 de alta qualidade: síntese e desempenho eletroquímico como material de cátodo para bateria aquosa de íons de sódio. Journal of Inorganic Materials[J], 2019, 34(12): 1301-1308 doi:10.15541/jim20190076

Nanocubos de Fe4[Fe(CN)6]3 (HQ-FeHCF) de alta qualidade foram sintetizados por um método hidrotérmico simples. A sua estrutura, morfologia e teor de água são caracterizados. Fe4[Fe(CN)6]3 exibe forma cúbica regular com um tamanho uniforme de ca. 500 nm, que pertence à fase cúbica de face centrada. Fe4[Fe(CN)6]3 apresenta capacidades de descarga de 124, 118, 105, 94, 83, 74 e 64 mAh·g -1 a 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C e 40C, respectivamente, em o eletrólito ternário aquoso de NaClO4-H2O-Polietilenoglicol. Sua retenção de capacidade permanece 100% após 500 ciclos de carga/descarga na taxa de 5C. A bateria completa com Fe4[Fe(CN)6]3 como cátodo e NaTi2(PO4)3 como ânodo foi fabricada, o que fornece uma densidade de energia específica de 126 Wh·kg -1 (com base nos materiais do eletrodo ativo) com uma tensão saída de 1,9 V. Além disso,

Preparação de materiais de eletrodo

Usando Na4Fe(CN)6 como uma única fonte de ferro, nanomateriais Fe4[Fe(CN)6]3(HQ-FeHCF) de alta qualidade foram sintetizados por um método hidrotérmico simples. Além disso, nanomateriais Fe4[Fe(CN)6]3(LQ-FeHCF) de baixa qualidade foram sintetizados por métodos tradicionais para comparação, e a estrutura, morfologia e propriedades eletroquímicas de HQ-FeHCF e LQ-FeHCF foram estudadas. Finalmente, usando HQ-FeHCF como eletrodo positivo, NaTi2(PO4)3 como eletrodo negativo e NaClO4-H2O-polietileno glicol (PEG) como eletrólito, uma bateria aquosa de íons de sódio foi montada.

Preparação de HQ-FeHCF e  LQ-  FeHCF

À temperatura ambiente, 4 g de polivinilpirrolidona K-30 (PVP) e 0,126 g de ferrocianeto de sódio deca-hidratado foram adicionados a 50 mL de ácido clorídrico aquoso a pH=0,8, agitados por 1 h e a solução ficou amarela quando completamente dissolvida. Em seguida, a solução uniformemente agitada foi colocada em estufa a 80 °C por 12 h. A solução resfriada à temperatura ambiente foi centrifugada para obter um precipitado e lavada com água deionizada. Após repetir 4 vezes, a amostra HQ-FeHCF foi obtida por secagem em estufa a 80 °C por 8 h. 

Adicione 2,7 g de cloreto férrico hexa-hidratado e 3,6 g de ferrocianeto de sódio deca-hidratado em 100 mL de água deionizada, respectivamente. Agitar a 60 °C até que as duas soluções estejam completamente dissolvidas. Em seguida, a solução salina de hexa-hidrato de cloreto férrico foi adicionada à solução salina deca-hidratada de ferrocianeto de sódio para gerar uma grande quantidade de precipitado azul escuro. Após incubação a 60 °C por 1 h, a solução foi centrifugada para obtenção de um precipitado, que foi lavado com água deionizada quatro vezes e, em seguida, seco em estufa a 80 °C por 8 h para obtenção da amostra de LQ-FeHCF.

Os materiais dos eletrodos preparados foram misturados de acordo com a proporção de m (material ativo): m (preto de acetileno): m (fluoreto de polivinilideno (PVDF))=75:15:10. Adicione uma quantidade apropriada de N-metilpirrolidona (NMP) e agite por 8 h e, em seguida, espalhe a pasta uniformemente agitada em uma malha circular de titânio com um diâmetro de cerca de 1,3 cm. Seque-o em um forno a 80 ° C por 12 h e, em seguida, pressione-o em uma folha fina com uma prensa de comprimidos sob uma pressão de 10 MPa para fazer um eletrodo de trabalho. Um sistema de três eletrodos foi montado usando fio de platina como contraeletrodo e cloreto de prata como eletrodo de referência. A plataforma de carga-descarga, desempenho de taxa e estabilidade de ciclo de HQ-FeHCF foram testados. Uma folha de eletrodo HQ-FeHCF com um diâmetro de 1,3 cm foi usada como eletrodo positivo (1,14 mg de carga de material ativo). A folha de eletrodo NaTi2(PO4)3 foi usada como eletrodo negativo (a carga de material ativo foi de 2,73 mg). Uma bateria cheia foi formada para teste de desempenho de carga-descarga de corrente constante, e a faixa de tensão de carga-descarga de corrente constante do sistema de bateria foi de 0–2 V. A capacidade de descarga do eletrodo e a densidade de energia da bateria são calculadas apenas com base na massa de o material ativo. O eletrólito utiliza o sistema NaClO4+H2O+Polietileno glicol (PEG).

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