中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2月15日，Nature Sustainability刊載了德國(guó)拜羅伊特大學(xué)、中山大學(xué)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、廈門大學(xué)合作開展的長(zhǎng)壽命鈉離子電池研究的相關(guān)成果。
可充電鈉離子電池因鈉資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注，尤其在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。層狀鈉過渡金屬氧化物（NaxTMO2）因其高工作電壓和高理論比容量而備受關(guān)注。然而，P型化合物在高電荷狀態(tài)下會(huì)發(fā)生P型到O型的劇烈相變，在長(zhǎng)期循環(huán)過程中會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的不可逆結(jié)構(gòu)退化，從而嚴(yán)重阻礙其實(shí)際應(yīng)用。
德國(guó)拜羅伊特大學(xué)、中山大學(xué)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、廈門大學(xué)合作，通過在過渡金屬（TM）層中引入本征空位，成功設(shè)計(jì)出了一種含本征TM空位的P2-Na0.7Fe0.1Mn0.75□0.15O2（“□”代表本征TM空位，VC-NFMO）正極，避免了高荷電態(tài)下的P?O構(gòu)型轉(zhuǎn)變。均勻分散的本征TM空位可顯著增加與其相鄰的鈉離子的遷移能壘，并將鈉離子固定在各自堿金屬（AM）層內(nèi)，使P型層在貧鈉狀態(tài)下也得以被保持。與典型的無空位P2-Na0.7Fe0.33Mn0.67O2（VF-NFMO）正極中獲得的O/P共生結(jié)構(gòu)相比，貧鈉狀態(tài)下的無相變P型結(jié)構(gòu)具有更高的TM-O局部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更低的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。此外，特定的Na-O-□構(gòu)型可激發(fā)可逆的陰離子氧化還原活性，從而提高陰極的能量密度。利用該工作中設(shè)計(jì)的P2-NaFeMnO正極與硬碳負(fù)極匹配組裝了鈉離子軟包電池在600次和1000次循環(huán)后，能量密度分別為170 Wh kg-1和120 Wh kg-1，容量保持率仍均大于80%。
本研究將均勻分布的固有空位引入到一個(gè)可持續(xù)的Fe-/Mn基P2型正極中，成功地消除了P-to-O相變，消除了（反）氧化過程中晶格的強(qiáng)烈膨脹收縮。研究表明，將空缺工程策略擴(kuò)展到P2-NaNiMnO系統(tǒng)，引入內(nèi)在的TM空位能從根本上抑制有害的結(jié)構(gòu)失真，是一種高能量密度和可持續(xù)電池技術(shù)的晶格級(jí)結(jié)構(gòu)工程的理想設(shè)計(jì)方向。
