我国学者首次在《Science》发表钠离子电池正极材料研究成果

2020年11月13日19:48

来源:科技日报

  近期,来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心、荷兰代尔夫特理工大学及法国波尔多大学的科研人员组成的研究团队提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法,并在实验上证实了该方法的有效性,为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和制备提供了理论指导。日前,该团队撰写的钠离子电池论文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在《Science》期刊上发表。据中科院物理所微信公众号,这是我国学者首次在《Science》发表有关钠离子电池正极材料研究成果。

  近年来,随着全球化学电池市场的快速发展和人们对环境问题的日益重视,二次电池(又称可充电电池或蓄电池)这种能实现电能与化学能转化的新型储能技术,在新一轮能源变革中受到广泛关注。其中,锂离子电池虽然已成为占据全球电化学储能规模市场80%份额的“绝对一哥”,但由于其资源的稀缺性和较高昂成本,产业发展面临“天花板”,而资源储量丰富、成本低廉的钠离子电池,便成为了极佳的补充。然而,钠离子电池的性能却受到可用电极材料的限制,尤其是以层状氧化物材料为主的正极材料的限制。

  自1980年以来,锂离子层状氧化物都是锂离子电池的主要正极材料,其堆积构型为O型(Octahedral,八面体)。与之相比,钠离子层状氧化物(NaxMO2)却具有O和P(Prismatic,三棱柱)两种构型,其中最常见的两种结构分别为O3和P2(数字代表氧最少重复单元的堆垛层数)。这两种结构的层状氧化物作为钠离子电池的正极材料时各有优势,但目前的技术手段仅可实现对合成出的材料进行物理表征以确定具体构型,无法直接预测材料的堆积结构,这严重阻碍了层状氧化物正极材料的性能设计和新型正极材料的发现。

  一般而言,O3相正极材料具有较高的初始Na含量,能够脱出更多的钠离子,具有较高的容量,适用于低速电动车、大规模储能领域;P2相正极材料具有较大的Na层间距,能够提升钠离子的传输速率和保持层状结构的完整性,具有优异的倍率性能和循环性能,在充电桩、调频、数据中心等快充场景应用更具优势。在实际工业化产品开发中,如果能提前设计材料构型,便能精准适配和打造最优结构的钠离子电池化学体系,大大提高研发效率。

  由中科院物理所研究员、中科海钠创始人兼董事长胡勇胜带领的研究团队是全球最早关注该领域研究的团队之一。2016年,中国科学院物理研究所博士戚兴国(现中科海钠材料部经理)创新性地引入等效半径(等效半径即加权半径,是将过渡金属的半径乘以该过渡金属的含量)的概念来预测堆叠机构,为该课题研究首开思路。

  后续研究时,胡勇胜团队在总结不同系列层状氧化物结构参数的过程中发现:O3和P2两种结构材料的Na层间距(d(O-Na-O))和M层间距(d(O-M-O))的比值有一个临界值1.62,比值高于1.62通常形成P2相,低于1.62易形成O3相。通过提高钠含量可获得O3相;反之,降低钠含量可获得P2相。

  基于此,本次工作研究人员引入“阳离子势”,来表示阳离子电子密度及其极化率的程度,捕捉层状材料的关键相互作用,使预测堆积结构成为可能。通过合理设计和制备具有改良性能的层状电极材料,证明了堆叠结构决定材料的特性,为碱金属层状氧化物的设计提供了有效解决方案。

  业内专家表示,该研究揭示了钠离子层状氧化物中O3型结构和P2型结构之间的竞争关系,提出了一种简单的预测堆叠结构的方法,优化了钠离子电池的制造环节,为进一步提高钠离子电池体系储能特性提供了精准指导。

  胡勇胜作为本工作的主要研究成员之一,拥有十数年钠离子电池领域研发经验,且为该项技术的商业成果转化提供了丰富的产业化技术思路和应用平台。其创立的中科海钠成立仅三年,便已实现了钠离子电池的大规模量产,月产能突破30万只,并拥有数十项钠离子电池材料组成、结构、制造和应用的核心专利。

  胡勇胜表示,过去几年里,中科院物理研究所和中科海钠团队,就钠离子层状氧化物两种构型形成的影响因素展开了大量实验研究,并积极探索其在钠离子电池应用中的场景落地。作为专注于新一代储能体系钠离子电池研发与生产的高新技术企业,今后希望能同更多行业内研究机构及企业展开交流合作,以市场需求倒推产品开发,推动钠离子电池的产业化应用。

  文/科技日报实习记者 于紫月

编辑:郭同欢

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