鈉離子電池作為一種新型的清潔能源儲存技術(shù)，具有高能量密度、低成本、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來能源領(lǐng)域的一大發(fā)展方向。然而，目前鈉離子電池的研究和應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如電極材料的性能不穩(wěn)定、電解液的開發(fā)等問題。
8月19日，燕山大學(xué)發(fā)布新聞稿表示，該校與中國科學(xué)院物理研究所合作，在鈉離子層狀氧化物正極材料中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
據(jù)悉，該研究團(tuán)隊通過對鈉離子層狀氧化物的合成、電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)表征等方面進(jìn)行深入研究，成功地實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的鈉離子傳輸和存儲。這一突破性的成果為開發(fā)高性能、低成本的鈉離子電池提供了有力支持。
團(tuán)隊介紹
黃建宇教授帶領(lǐng)燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊，和中國科學(xué)院物理所、長三角物理研究中心研究團(tuán)隊展開合作，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表相關(guān)成果，中國科學(xué)院物理研究所博士生楊佯、燕山大學(xué)博士畢業(yè)生王在發(fā)為論文第一作者。
項目背景
層狀氧化物正極材料，以其卓越的高容量和可規(guī)模化生產(chǎn)特性，在鋰離子電池和鈉離子電池領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位。
得益于鈉資源的廣泛可得性，以及在過渡金屬元素選擇上的高靈活性 —— 無需依賴昂貴的鈷和鎳，而可以采用成本效益更高的鐵和銅作為替代，鈉離子層狀氧化物正極材料展現(xiàn)出了顯著的成本效益。
然而，此類材料的空氣敏感性已困擾鈉離子層狀氧化物正極材料研究界超過四十年，成為其商業(yè)化進(jìn)程中亟待克服的重大障礙。
項目研究成果
研究團(tuán)隊指出打破氣體間的耦合作用是實(shí)現(xiàn)材料穩(wěn)定存儲的關(guān)鍵外在因素。
酸性降解和氧化降解的定量化以及本征空氣穩(wěn)定的鈉離子層狀氧化物正極材料的開發(fā)設(shè)計原則項目團(tuán)隊供圖
團(tuán)隊通過以廣泛研究的 NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2(NFM111)作為模型材料，擴(kuò)展至其同系物，結(jié)合使用原位環(huán)境氣氛透射電鏡、同位素標(biāo)記法、二次離子質(zhì)譜、中子散射、同步輻射 X 射線吸收譜等先進(jìn)表征方法，發(fā)現(xiàn)水蒸氣、二氧化碳或者氧氣單獨(dú)存在時并不會引發(fā)顯著的劣化反應(yīng)，挑戰(zhàn)了這三種氣體(尤其是水蒸氣)單獨(dú)即可引發(fā)劇烈劣化反應(yīng)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)：
水蒸氣在劣化過程中起到關(guān)鍵性的橋梁作用，可以將二氧化碳和氧氣與材料聯(lián)系，分別引發(fā)酸性降解和氧化降解。
其中，酸性降解將引發(fā)劇烈的 Na+/H + 交換，在材料表面形成碳酸鈉或碳酸氫鈉，同時還將引發(fā)裂紋拓展生長、晶格扭曲、位錯產(chǎn)生和強(qiáng)酸性情況下的表面過渡金屬離子還原和重構(gòu)等后續(xù)反應(yīng);
氧化降解中，體相中氧化物氧化還原電位較低(距離費(fèi)米能級較近)的過渡金屬離子將優(yōu)先被氧化，同時釋放出鈉離子到表面以平衡電荷，被氧化的過渡金屬離子(Ni3+)在表面通常不穩(wěn)定，容易被還原從而引發(fā)表面重構(gòu)。
同時，研究團(tuán)隊還開發(fā)了一種基于滴定氣相色譜技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化空氣穩(wěn)定性測試方法，用以定量評價不同反應(yīng)路徑的貢獻(xiàn)和不同材料的空氣穩(wěn)定性。
根據(jù) 30 余種材料劣化后鈉損失量的定量結(jié)果及前期研究成果，綜合各組成的離子勢和初始鈉含量，定義了陽離子競爭系數(shù) η，并發(fā)現(xiàn)：
酸性降解主導(dǎo)了大多數(shù)材料的劣化反應(yīng);
通過減小陽離子競爭系數(shù)和增大材料粒徑大小可以有效提升材料的抗酸能力;
通過選擇高電位的氧化還原對可以有效提升材料抗氧化能力主要因素。
總之，燕山大學(xué)與中科院物理所合作在鈉離子層狀氧化物正極材料領(lǐng)域的重大突破是一個值得關(guān)注的重要消息。這一成果不僅有助于推動新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還彰顯了中國科研界的創(chuàng)新能力和國際競爭力。在未來，我們期待著更多類似的研究成果，為全球應(yīng)對氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
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