钠离子电池材料设计可能再进一步

来源：中国科学报

1079 2020-11-13

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。