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Optimization of Na-Ion Battery Systems Based on Polyanionic or Layered Positive Electrodes and Carbon Anodes

Authors :
Romain Dugas
Bo Zhang
Jean-Marie Tarascon
Patrick Rozier
Chaire Chimie du solide et énergie
Chimie du solide et de l'énergie (CSE)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)
Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E)
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Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)
Advanced Lithium Energy Storage Systems - ALISTORE-ERI (ALISTORE-ERI)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Centre interuniversitaire de recherche et d'ingenierie des matériaux (CIRIMAT)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS (FRANCE)
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Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - ENSCP (FRANCE)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier - ENSCM (FRANCE)
Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Institut polytechnique de Grenoble (FRANCE)
Sorbonne Université (FRANCE)
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Université de Nantes (FRANCE)
Université de Picardie Jules Verne (FRANCE)
Advanced Lithium Energy Storage Systems - ALISTORE (FRANCE)
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Université de Haute Alsace - UHA (FRANCE)
Université de Montpellier (FRANCE)
Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux - CIRIMAT (Toulouse, France)
Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT (FRANCE)
Collège de France - Chaire Chimie du solide et énergie
Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
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Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)
Source :
Journal of The Electrochemical Society, Journal of The Electrochemical Society, Electrochemical Society, 2016, 163 (6), pp.A867-A874. ⟨10.1149/2.0051605jes⟩, Journal of The Electrochemical Society, 2016, 163 (6), pp.A867-A874. ⟨10.1149/2.0051605jes⟩
Publication Year :
2016
Publisher :
The Electrochemical Society, 2016.

Abstract

International audience; The revival of the Na-ion battery concept has prompted intense research activities toward new Na-based insertion compounds and their implementation in full Na-ion cells. Herein, we report the optimization of full Na-ion cells consisting of either a layered oxide Nax(Fe1/2Mn1/2)O2 or a polyanionic Na3V2(PO4)2F3 cathode associated with a hard carbon anode. From charge/discharge curves collected via 2 or 3-electrode measurements, the charge/discharge profiles of full cells are simulated to evaluate the maximum energy density these two systems can deliver. Similar energies of 235 W h kg−1 are found for both systems provided that a fully sodiated Na1(Fe1/2Mn1/2)O2 layered phase is used. Experimental cells confirm these values, and cells based on polyanionic compounds surpass the layered cathodes in terms of energy retention, average voltage and rate capabilities. By using Na sources to compensate for carbon's irreversible capacity, energy densities as high as 265 W h kg−1 can be reached with the Na3+xV2(PO4)2F3 / hard C system. Overall, such studies reveal that the gravimetric energy density advantage of layered over polyanionic compounds for Li-ion batteries vanishes by moving to Na-ion. We hope this information will be of great interest for battery manufacturers willing to enroll in the future commercialization of Na-ion batteries.

Details

ISSN :
19457111 and 00134651
Volume :
163
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of The Electrochemical Society
Accession number :
edsair.doi.dedup.....9a9cd6b8ae9e9dd5beb77fb354b2ce0c