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鈉離子電池材料設(shè)計(jì)可能再進(jìn)一步

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:479次  |  2021年10月19日  

日,中科院物理研究所(以下簡稱中科院物理所)科研團(tuán)隊(duì)與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、法國波爾多大學(xué)等合作,提出了一種簡單的預(yù)測鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法,并在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了該方法的有效性,為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設(shè)計(jì)制備供應(yīng)了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。


近年來,二次電池(又稱可充電電池或蓄電池)這一能實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)化的新型儲能技術(shù),在新一輪能源變革中受到廣泛關(guān)注。其中,鈉離子電池資源儲量豐富、成本低廉,然而其性能受到可用電極材料,尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。


鈉離子層狀氧化物具有O(Octahedral,八面體)和P(Prismatic,三棱柱)兩種構(gòu)型,其中最常見的兩種結(jié)構(gòu)分別為O3和P2(數(shù)字代表氧最少重復(fù)單元的堆垛層數(shù))。這兩種結(jié)構(gòu)的層狀氧化物作為鈉離子電池的正極材料各有優(yōu)勢,一般而言,O3相正極材料具有較高的容量,適用于低速電動汽車、大規(guī)模儲能領(lǐng)域;P2相正極材料具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能,在充電樁、調(diào)頻、數(shù)據(jù)中心等快充場景應(yīng)用更具優(yōu)勢。研究團(tuán)隊(duì)成員、中科院物理所研究員胡勇勝告訴《我國科學(xué)報》:“在實(shí)際工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)中,假如能提前設(shè)計(jì)材料構(gòu)型,便能精準(zhǔn)適配和打造最優(yōu)結(jié)構(gòu)的鈉離子電池化學(xué)體系,大大提高研發(fā)效率?!?/p>


2016年,中科院物理所博士戚興國創(chuàng)新性地引入等效半徑(即加權(quán)半徑,是將過渡金屬的半徑乘以該過渡金屬的含量)的概念來預(yù)測堆疊機(jī)構(gòu),為該課題研究首開思路。


在后續(xù)研究中,胡勇勝團(tuán)隊(duì)在總結(jié)不同系列層狀氧化物結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程中發(fā)現(xiàn):O3和P2兩種結(jié)構(gòu)材料的Na層間距(d(O-Na-O))和M層間距(d(O-M-O))的比值有一個臨界值1.62,比值高于1.62通常形成P2相,低于1.62易形成O3相。通過提高鈉含量可獲得O3相;反之,可獲得P2相。

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充電溫度:0~45℃
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-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

基于此,胡勇勝團(tuán)隊(duì)引入“陽離子勢”,來表示陽離子電子密度及其極化率程度,捕捉層狀材料的關(guān)鍵相互用途,使預(yù)測堆積結(jié)構(gòu)成為可能。通過合理設(shè)計(jì)和制備具有改良性能的層狀電極材料,證明了堆疊結(jié)構(gòu)決定材料的特性,為堿金屬層狀氧化物的設(shè)計(jì)供應(yīng)了有效解決方法。



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