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近日，beat365新能源材料與器件課題組郭孝東副教授與中科院郭玉國(guó)研究員合作，在鈉離子電池研究方面取得重大進(jìn)展，相關(guān)研究成果“A Layered–Tunnel Intergrowth Structure for High-Performance Sodium-Ion Oxide Cathode”發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Energy Materials》 (影響因子16.721)上。該論文第一作者為beat3652016級(jí)博士研究生肖遙，beat365為改論文的第一單位。

由于全球分布廣泛的鈉資源以及價(jià)格低廉的鈉鹽成本，鈉離子電池有望應(yīng)用于未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域。層狀過(guò)渡金屬氧化物NaTMO2正極材料是目前最有希望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的正極材料之一。NaxMnO₂正極材料因其只含有地球豐度高的元素并擁有高理論容量成為研究熱點(diǎn)，當(dāng)0.22 < x < 0.44為隧道結(jié)構(gòu); 0.44 < x < 0.66為層狀?隧道復(fù)合結(jié)構(gòu); 0.66 < x < 1為層狀結(jié)構(gòu)。 p2型na_0.7MnO₂正極材料理論容量可高達(dá)182.0mAhg^?1，但是由于材料中Mn3+含有高自旋的t_2g³e_g¹電子態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生姜泰勒晶格畸變效應(yīng)使材料循環(huán)穩(wěn)定性大幅度降低；而且因其狹窄的二維鈉離子擴(kuò)散通道的限制作用，其倍率性能也會(huì)受到嚴(yán)重的影響。與此相比，隧道結(jié)構(gòu)Na_0.44MnO₂正極材料具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及可供鈉離子快速擴(kuò)散的較大S型通道，所以具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。但是其較低的理論比容量 (121.4 mAhg^?1) 嚴(yán)重影響了實(shí)際應(yīng)用。如何將上述兩類(lèi)材料有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，同時(shí)發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)以及深入分析其協(xié)同作用機(jī)理就顯得尤為重要。

因此，課題組研究人員通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)調(diào)制策略設(shè)計(jì)出了一種層狀隧道共生結(jié)構(gòu)的高性能鈉離子電池正極材料。此類(lèi)材料不僅繼承了Na_0.7MnO₂正極材料高容量的優(yōu)勢(shì)，其相應(yīng)的電極在0.2C下能夠發(fā)揮198.2mAhg^?1的比容量而且相應(yīng)的能量密度能達(dá)到520.4 Whkg^?1，并保留了隧道結(jié)構(gòu)Na_0.44MnO₂正極材料的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。同時(shí)，共生材料所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)結(jié)合各種先進(jìn)表征手段得到驗(yàn)證，兩種結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的深層次機(jī)理也通過(guò)電化學(xué)方法結(jié)合原位XRD等手段進(jìn)行了詳細(xì)并深入的分析。本工作提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略和二元協(xié)同效應(yīng)可以進(jìn)一步推廣到其他正極材料體系研究中，這為未來(lái)開(kāi)發(fā)高性能鈉離子電池正極材料和推進(jìn)鈉離子電池實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

圖1. a) 層狀-隧道共生結(jié)構(gòu)的XRD精修譜圖。b, c) 層狀和隧道結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。d) 層狀-隧道共生結(jié)構(gòu)的SEM圖。e-i) 層狀-隧道共生結(jié)構(gòu)的TEM圖以及相應(yīng)的Na，Mn和O的TEM-EDS圖。

圖2. a-b) 層狀-隧道共生結(jié)構(gòu)的TEM圖（不同放大倍數(shù)）。c-d) 層狀-隧道共生結(jié)構(gòu)的HR-TEM圖（不同位置）。e-f) 隧道結(jié)構(gòu)在[010]帶軸的ABF-STEM和HAADF-STEM圖。g-h) 層狀結(jié)構(gòu)在[001]帶軸的ABF-STEM和HAADF-STEM圖。

圖3. a-b) 層狀, 隧道, 與層狀隧道共生電極的比容量以及比能量曲線對(duì)比。c) 層狀隧道共生電極的不同循環(huán)次數(shù)的恒流充放電曲線。d) 層狀, 隧道, 與層狀隧道共生電極的倍率性能對(duì)比。e) 層狀隧道共生電極的不同倍率的恒流充放電曲線。f) 從性能的各個(gè)方面與已報(bào)道的正極進(jìn)行對(duì)比。g) 層狀隧道共生電極在1C下的循環(huán)性能。

圖4. a, b) 層狀-隧道共生結(jié)構(gòu)電極在C/10電流密度下進(jìn)行充放電的原位XRD圖以及相應(yīng)的二維等高線圖。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201800492

吳振國(guó) 供稿

李天友 審核

高敏 編輯

beat365

2018年6月7日