近日，學(xué)院新能源材料與器件課題組郭孝東副教授團隊在鈉離子電池研究方面取得突破性進展。相關(guān)研究成果“Exposing {010} Active Facets by Multiple-Layer Oriented Stacking Nanosheets for High-Performance Capacitive Sodium-Ion Oxide”發(fā)表于國際頂級期刊Advanced Materials(影響因子21.950)上。該論文第一作者為beat3652016級博士研究生肖遙，beat365為第一單位。
鈉離子電池由于全球分布廣泛的鈉資源以及價格低廉的鈉鹽成本在未來大規(guī)模儲能，便攜式電子設(shè)備，小型低速電動車等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。層狀過渡金屬氧化物正極材料制備簡單，比容量高，離子電導(dǎo)率高，是目前最有希望實現(xiàn)商業(yè)化的正極材料之一。但是鈉離子半徑較大以及晶體結(jié)構(gòu)存在電荷有序和鈉空位有序等因素，使得鈉離子在層狀材料的脫嵌過程中很容易發(fā)生不可逆相變而且動力學(xué)性質(zhì)較差，嚴(yán)重影響了材料的電池性能。對于O3-NaNi0.5Mn0.5O2一類高容量的富鈉正極材料，在充放電過程中存在O3hex.-O￠3mon.-P3hex.-P￠3mon.-P3′′hex.多重相變以及鈉離子傳輸動力學(xué)緩慢的問題，導(dǎo)致電池性能衰減嚴(yán)重。所以，抑制不可逆相變和提高鈉離子傳輸動力學(xué)性質(zhì)是提高層狀正極材料性能的關(guān)鍵。
因此，課題組研究人員通過表觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和體相化學(xué)元素取代的雙功能調(diào)制策略設(shè)計出了一種由多層有序堆積的納米片所構(gòu)筑的{010}活性晶面結(jié)構(gòu)用于高性能電容型鈉離子氧化物正極材料O3-Na[Li0.05Ni0.3Cu0.1Mg0.05Mn0.5]O2。此類納米片狀結(jié)構(gòu)可以縮短鈉離子傳輸距離和增大電極電解液的接觸面積。而且結(jié)合定量的動力學(xué)分析，鈉離子的存儲機制是以電容行為為主，極大的提高了鈉離子傳輸動力學(xué)性質(zhì)，所以電極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。另外從充放電曲線，循環(huán)伏安測試，半原位X射線吸收譜和原位X射線衍射的分析結(jié)果可以推斷出Ni2+/Ni3+和Cu2+/Cu3+氧化還原電對均參與到電荷補償機制。同時高電壓區(qū)域的多重不可逆相變也得到抑制，僅保留了一個在寬的鈉含量組成范圍內(nèi)高度可逆的P3-O3相變，顯著提高了材料結(jié)構(gòu)循環(huán)穩(wěn)定性，從而大幅度的改善了材料的電化學(xué)性能。而且當(dāng)正極與硬碳負(fù)極匹配全電池時，也表現(xiàn)出了極好的電化學(xué)兼容性。本工作提出的雙功能設(shè)計策略為層狀正極材料物理化學(xué)性質(zhì)的調(diào)制提供了借鑒，可以進一步推廣到其他正極材料體系研究中，這為未來開發(fā)高性能鈉離子電池正極材料提供了新的思路，同時為推進鈉離子電池實用化奠定了堅實的基礎(chǔ)。
圖1. a, b) O3-NaNM和O3-NaLNMCM的XRD精修圖。c) O3型正極材料的晶體結(jié)構(gòu)示圖。d-m) O3-NaLNMCM的SEM，TEM，HR-TEM，SAED和TEM-EDS圖。
圖2.a, b) O3-NaNM和O3-NaLNMCM在0.5C倍率下的恒流充放電曲線。c, d) O3-NaNM和O3-NaLNMCM在0.1mV/s下的循環(huán)伏安圖。e-h) O3-NaNM和O3-NaLNMCM的倍率性能及不同倍率下的充放電曲線。i, j) O3-NaLNMCM在不同掃速下的循環(huán)伏安圖和相應(yīng)的線性合。k) O3-NaLNMCM在0.1mV/s的電容貢獻。l) O3-NaLNMCM在不同掃速下的電容獻。m) O3-NaLNMCM在5C倍率下的長循環(huán)性能。
圖3. a-c) O3-NaLNMCM的Ni-K edge, Mn-K edge, Cu-K edge的X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)。
d-f)O3-NaLNMCM的Ni-K edge, Mn-K edge, Cu-K edge的擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(EXAFS)。
圖4.a, b) O3-NaLNMCM電極在C/10電流密度下進行充放電過程的原位XRD圖以及相應(yīng)的二維等高線圖。
圖5. a) O3-NaLNMCM與硬碳組成全電池的放電示意圖。b) O3-NaLNMCM與硬碳的循環(huán)伏安和恒流充放電曲線。c, d)全電池的倍率性能及相應(yīng)的充放電曲線。e, f)全電池在5C倍率下的循環(huán)性能及不同循環(huán)次數(shù)的充放電曲線。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803765
新能源材料與器件課題組 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
2018年8月30日
