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钠离子电池材料设计可能再进一步

近日,中科院物理研究所(以下简称中科院物理所)科研团队与荷兰代尔夫特理工大学、法国波尔多大学等合作,提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法,并在实验上证实了该方法的有效性,为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备提供了理论指导。相关研究成果发表于《科学》。

近年来,二次电池(又称可充电电池或蓄电池)这一能实现电能与化学能转化的新型储能技术,在新一轮能源变革中受到广泛关注。其中,钠离子电池资源储量丰富、成本低廉,然而其性能受到可用电极材料,尤其是以层状氧化物材料为主的正极材料的限制。

钠离子层状氧化物具有O(Octahedral,八面体)和P(Prismatic,三棱柱)两种构型,其中最常见的两种结构分别为O3和P2(数字代表氧最少重复单元的堆垛层数)。这两种结构的层状氧化物作为钠离子电池的正极材料各有优势,一般而言,O3相正极材料具有较高的容量,适用于低速电动车、大规模储能领域;P2相正极材料具有优异的倍率性能和循环性能,在充电桩、调频、数据中心等快充场景应用更具优势。研究团队成员、中科院物理所研究员胡勇胜告诉《中国科学报》:“在实际工业化产品开发中,如果能提前设计材料构型,便能精准适配和打造最优结构的钠离子电池化学体系,大大提高研发效率。”

2016年,中科院物理所博士戚兴国创新性地引入等效半径(即加权半径,是将过渡金属的半径乘以该过渡金属的含量)的概念来预测堆叠机构,为该课题研究首开思路。

在后续研究中,胡勇胜团队在总结不同系列层状氧化物结构参数的过程中发现:O3和P2两种结构材料的Na层间距(d(O-Na-O))和M层间距(d(O-M-O))的比值有一个临界值1.62,比值高于1.62通常形成P2相,低于1.62易形成O3相。通过提高钠含量可获得O3相;反之,可获得P2相。

基于此,胡勇胜团队引入“阳离子势”,来表示阳离子电子密度及其极化率程度,捕捉层状材料的关键相互作用,使预测堆积结构成为可能。通过合理设计和制备具有改良性能的层状电极材料,证明了堆叠结构决定材料的特性,为碱金属层状氧化物的设计提供了有效解决方案。(记者沈春蕾)

来源: 《中国科学报》

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