近期，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)及法國(guó)波爾多大學(xué)的科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)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)和制備提供了理論指導(dǎo)。日前，該團(tuán)隊(duì)撰寫的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在《Science》期刊上發(fā)表。據(jù)中科院物理所微信公眾號(hào)，這是我國(guó)學(xué)者首次在《Science》發(fā)表有關(guān)鈉離子電池正極材料研究成果。

近年來(lái)，隨著全球化學(xué)電池市場(chǎng)的快速發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，二次電池(又稱可充電電池或蓄電池)這種能實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)化的新型儲(chǔ)能技術(shù)，在新一輪能源變革中受到廣泛關(guān)注。其中，鋰離子電池雖然已成為占據(jù)全球電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模市場(chǎng)80%份額的“絕對(duì)一哥”，但由于其資源的稀缺性和較高昂成本，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨“天花板”，而資源儲(chǔ)量豐富、成本低廉的鈉離子電池，便成為了極佳的補(bǔ)充。然而，鈉離子電池的性能卻受到可用電極材料的限制，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。

自1980年以來(lái)，鋰離子層狀氧化物都是鋰離子電池的主要正極材料，其堆積構(gòu)型為O型(Octahedral，八面體)。與之相比，鈉離子層狀氧化物(NaxMO2)卻具有O和P(Prismatic，三棱柱)兩種構(gòu)型，其中最常見(jiàn)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時(shí)各有優(yōu)勢(shì)，但目前的技術(shù)手段僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)合成出的材料進(jìn)行物理表征以確定具體構(gòu)型，無(wú)法直接預(yù)測(cè)材料的堆積結(jié)構(gòu)，這嚴(yán)重阻礙了層狀氧化物正極材料的性能設(shè)計(jì)和新型正極材料的發(fā)現(xiàn)。

一般而言，O3相正極材料具有較高的初始Na含量，能夠脫出更多的鈉離子，具有較高的容量，適用于低速電動(dòng)車、大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域;P2相正極材料具有較大的Na層間距，能夠提升鈉離子的傳輸速率和保持層狀結(jié)構(gòu)的完整性，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(chǎng)景應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)中，如果能提前設(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。

由中科院物理所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)胡勇勝帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)是全球最早關(guān)注該領(lǐng)域研究的團(tuán)隊(duì)之一。2016年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士戚興國(guó)(現(xiàn)中科海鈉材料部經(jīng)理)創(chuàng)新性地引入等效半徑(等效半徑即加權(quán)半徑，是將過(guò)渡金屬的半徑乘以該過(guò)渡金屬的含量)的概念來(lái)預(yù)測(cè)堆疊機(jī)構(gòu)，為該課題研究首開思路。

后續(xù)研究時(shí)，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(guò)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(gè)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(guò)提高鈉含量可獲得O3相;反之，降低鈉含量可獲得P2相。

基于此，本次工作研究人員引入“陽(yáng)離子勢(shì)”，來(lái)表示陽(yáng)離子電子密度及其極化率的程度，捕捉層狀材料的關(guān)鍵相互作用，使預(yù)測(cè)堆積結(jié)構(gòu)成為可能。通過(guò)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)提供了有效解決方案。

業(yè)內(nèi)專家表示，該研究揭示了鈉離子層狀氧化物中O3型結(jié)構(gòu)和P2型結(jié)構(gòu)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，提出了一種簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)堆疊結(jié)構(gòu)的方法，優(yōu)化了鈉離子電池的制造環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步提高鈉離子電池體系儲(chǔ)能特性提供了精準(zhǔn)指導(dǎo)。

胡勇勝作為本工作的主要研究成員之一，擁有十?dāng)?shù)年鈉離子電池領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，且為該項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)成果轉(zhuǎn)化提供了豐富的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)思路和應(yīng)用平臺(tái)。其創(chuàng)立的中科海鈉成立僅三年，便已實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池的大規(guī)模量產(chǎn)，月產(chǎn)能突破30萬(wàn)只，并擁有數(shù)十項(xiàng)鈉離子電池材料組成、結(jié)構(gòu)、制造和應(yīng)用的核心專利。

胡勇勝表示，過(guò)去幾年里，中科院物理研究所和中科海鈉團(tuán)隊(duì)，就鈉離子層狀氧化物兩種構(gòu)型形成的影響因素展開了大量實(shí)驗(yàn)研究，并積極探索其在鈉離子電池應(yīng)用中的場(chǎng)景落地。作為專注于新一代儲(chǔ)能體系鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，今后希望能同更多行業(yè)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)展開交流合作，以市場(chǎng)需求倒推產(chǎn)品開發(fā)，推動(dòng)鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 鈉離子電池