鈉離子電池材料設(shè)計(jì)可能再進(jìn)一步

近日，中科院物理研究所(以下簡(jiǎn)稱中科院物理所)科研團(tuán)隊(duì)與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、法國(guó)波爾多大學(xué)等合作，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)制備提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

近年來(lái)，二次電池(又稱可充電電池或蓄電池)這一能實(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，鈉離子電池資源儲(chǔ)量豐富、成本低廉，然而其性能受到可用電極材料，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。

鈉離子層狀氧化物具有O(Octahedral，八面體)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各有優(yōu)勢(shì)，一般而言，O3相正極材料具有較高的容量，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)。研究團(tuán)隊(duì)成員、中科院物理所研究員胡勇勝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“在實(shí)際工業(yè)化產(chǎn)品開(kāi)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。”

2016年，中科院物理所博士戚興國(guó)創(chuàng)新性地引入等效半徑(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(kāi)思路。

在后續(xù)研究中，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，可獲得P2相。

基于此，胡勇勝團(tuán)隊(duì)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。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aay9972