高比能鈉離子電池正極材料

在國家“雙碳”戰(zhàn)略需求的背景下，鈉離子電池（鋰離子電池負極材料技術(shù)與設(shè)備研討會）憑借鈉資源的低成本優(yōu)勢有望在未來規(guī)模儲能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。作為限制鈉離子電池能量密度的關(guān)鍵部分，正極材料的能量密度和循環(huán)壽命一直備受廣大科研工作者的關(guān)注。典型的層狀氧化物正極材料在實際應(yīng)用過程中一直面臨著鈉空位有序和大體積相變的基礎(chǔ)科學問題，這直接了限制了這類正極材料的電化學性能和能量密度。

鑒于此，西安交通大學王鵬飛教授課題組提出利用Li+、Mg2+、Ti4+三種特定功能離子的協(xié)同效應(yīng)有效解決了P2型正極材料（全國鋰電池正極材料制備與實驗室儀器裝備）低電壓區(qū)域鈉空位有序重排和高電壓區(qū)域大體積相變的難題，設(shè)計的正極材料工作電壓為3.57 V，可逆比容量達到134 mAh g–1，與硬碳負極匹配的全電池能量密度達到296 Wh kg–1。同時，王鵬飛教授團隊通過高通量合成實驗繪制層狀相的熱力學穩(wěn)定相圖，研制出一種P2和O3雙相結(jié)構(gòu)共生的新型層狀正極材料，兩相界面的“互鎖效應(yīng)”有效減小了材料充放電過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力和晶格錯位概率，緩解了大尺寸鈉離子脫嵌過程中的相變體積變化，得到了一種可逆比容量為144 mA h g–1，能量密度高達514 Wh kg–1的新型鈉離子電池正極材料。

汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是體現(xiàn)國家競爭力的標志性產(chǎn)業(yè)。新能源汽車基于驅(qū)動技術(shù)的重大轉(zhuǎn)型，是汽車產(chǎn)業(yè)對能源安全、氣候變化和結(jié)構(gòu)升級的重要突破口。近年來，以電動汽車為代表的高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池的能量密度、使用壽命提出了更高的技術(shù)需求，亟需開發(fā)新型高比容電極材料，解決續(xù)航里程焦慮問題。硅負極理論容量高達4200 mAh/g，十倍于傳統(tǒng)石墨負極，被認為是新一代高比能鋰離子電池負極的理想選擇。然而硅負極在充放電過程中存在著巨大的體積膨脹（>300%），由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力易導致硅顆粒的嚴重粉化和界面膜的不穩(wěn)定，嚴重阻礙了其實際應(yīng)用。設(shè)計新型聚合物粘合劑用于硅負極被認為是一種緩減其體積膨脹、維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有效方法，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。然而，目前已報道粘合劑易在大應(yīng)力下產(chǎn)生分子鏈滑移，引起電極結(jié)構(gòu)破壞，最終導致電池容量快速衰減。

上述成果均以西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為第一單位，通訊作者為西安交通大學材料學院宋江選教授，論文合作者包括材料學院Goran Ungar教授、鄧俊楷教授、張啟路副教授。論文表征及測試得到西安交通大學分析測試共享中心和材料學院分析測試中心的支持。

宋江選，西安交通大學教授、博士生導師、國家級青年項目入選者、陜西省“青年百人”、西安交通大學“青年拔尖人才”。近年來，主持/參與了國家自然科學基金項目，美國能源部及世界500強企業(yè)資助的多個重大攻關(guān)項目，在硅負極及其粘合劑、鋰-硫電池、鋰離子電池、鈉/鉀離子電池、超級電容器等研究領(lǐng)域取得一系列創(chuàng)新性成果，受到美國能源部(US DOE), Materials Views, Angew. Chem.等官方媒體重點報道。在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等權(quán)威期刊發(fā)表論文30余篇，其中影響因子大于10的論文9篇。7篇論文入選ESI高被引論文(1%)，3篇論文入選ESI熱點論文(0.1%)，1篇論文被評選為VIP論文，累計引用3000余次，獲授權(quán)專利4項，含2項PCT國際專利。