Tính năng phóng sạc của vật liệu cathode NaNi1/3Mn1/3Co1/3O2 trong pin sạc Na-ion hoàn chỉnh với các hệ điện giải chứa chất điện giải carbonate

Tính năng điện hóa của pin sạc không chỉ quyết định bởi vật liệu điện cực mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hệ điện giải sử dụng (gồm cả muối và dung môi). Việc tìm ra hệ điện giải có thể tương thích được với cả vật liệu điện cực dương và âm là một trong các vấn đề cần giải quyết để tăng hiệu năng của pin sạc Na-ion hoàn chỉnh. Trong các vật liệu với tỷ lệ khác nhau của Ni/Mn/Co, NaNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC) thể hiện mức độ ổn định dung lượng tốt nhất. Bên cạnh đó, các vật liệu anot carbon như cacbon cứng (HC) có triển vọng vì giá thành thấp và dung lượng riêng theo khối lượng hoặc thể tích cao. Trong nghiên cứu này, tính năng điện hóa của pin hoàn chỉnh với cựa âm là cacbon cứng (HC) và NaNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC) là cực dương được khảo sát khi sử dụng các hệ điện giải carbonate với 2wt%FEC làm phụ gia. Vật liệu điện cực dương NMC được tổng hợp bằng quy trình sol-gel kết hợp nung pha rắn ở 900oC trong 12 giờ. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy trong vật liệu tồn tại hai cấu trúc lớp đồng phát triển là O3 và P2; trong đó pha O3 có hàm lượng cao. Pha tạp NiO cũng hiện diện trong mẫu với hàm lượng không đáng kể. Trong bán pin sử dụng natri kim loại làm anot, vật liệu đều thể hiện đường cong phóng sạc bậc thang đặc trưng trong tất cả các hệ điện giải. Dung lượng riêng tốt nhất đạt được khoảng 106 mAh/g và duy trì dung lượng ổn định sau 50 chu kỳ phóng sạc đối với hệ điện giải NaClO4 1 M/PC+2wt%FEC. Tuy nhiên, trong mô hình pin hoàn chỉnh, hệ điện giải này thể hiện tính không tương thích với vật liệu điện cực âm HC nên pin hoàn chỉnh chỉ đạt dung lượng riêng thấp, khoảng 30 mAh/g và giảm nhanh sau một số chu kỳ. Nhận thấy rằng các hệ điện giải không sử dụng PC hoặc hàm lượng PC thấp giúp cải thiện dung lượng và tuổi thọ của pin. Kết quả là với hệ điện giải NaClO4 1M/EC-DMC (1:1) + 2wt%FEC, pin hoàn chỉnh HC||NaNMC đạt dung lượng riêng 90 mAh/g và duy trì hơn 90% dung lượng sau 50 chu kỳ. Full-cell cũng thể hiện tốc độ phóng sạc cao lên đến 2C với dung lượng đạt được 55 mAh/g.