中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)胡勇勝團(tuán)隊(duì)聯(lián)合荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Prof. Marnix Wagemaker及法國(guó)波爾多大學(xué)Prof. Claude Delmas等提出了一種簡(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)成果以“鈉離子電池層狀氧化物材料的合理設(shè)計(jì)（Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries）”為題，于2020年11月6日在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。
近年來(lái)，隨著全球化學(xué)電池市場(chǎng)的快速發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，二次電池（又稱可充電電池或蓄電池）這種能實(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，鋰離子電池雖然已成為占據(jù)全球電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模市場(chǎng)80%份額的“絕對(duì)一哥”，但由于其資源的稀缺性和較高昂成本，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨“天花板”，而資源儲(chǔ)量豐富、成本低廉的鈉離子電池，便成為了極佳的補(bǔ)充。然而，鈉離子電池的性能卻受到可用電極材料的限制，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。
自1980年以來(lái)，鋰離子層狀氧化物（LiMO2）都是鋰離子電池的主要正極材料，其堆積構(gòu)型為O型（Octahedral，八面體）。與之相比，鈉離子層狀氧化物（NaxMO2）卻具有O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時(shí)各有優(yōu)勢(shì)，但目前的技術(shù)手段僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)合成出的材料進(jìn)行物理表征以確定具體構(gòu)型，無(wú)法直接預(yù)測(cè)材料的堆積結(jié)構(gòu)，這嚴(yán)重阻礙了層狀氧化物正極材料的性能設(shè)計(jì)和新型正極材料的發(fā)現(xiàn)。
一般而言，O3相正極材料具有較高的初始Na含量，能夠脫出更多的鈉離子，具有較高的容量，適用于低速電動(dòng)車(chē)、大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域；P2相正極材料具有較大的Na層間距，能夠提升鈉離子的傳輸速率和保持層狀結(jié)構(gòu)的完整性，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)。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。
由胡勇勝帶領(lǐng)的中科院物理所和中科海鈉研究團(tuán)隊(duì)是全球最早關(guān)注該領(lǐng)域研究的團(tuán)隊(duì)之一。2016年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士戚興國(guó)（現(xiàn)中科海鈉材料部經(jīng)理）創(chuàng)新性地引入等效半徑（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。
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，降低鈉含量可獲得P2相。
基于此，本次工作研究人員引入“陽(yáng)離子勢(shì)”，來(lái)表示陽(yáng)離子電子密度及其極化率的程度，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。
該項(xiàng)研究進(jìn)展不僅為層狀氧化物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的方法，而且用實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了該簡(jiǎn)單方法的有效性，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)制備打下了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。
據(jù)了解，胡勇勝研究員作為本工作的主要研究成員之一，擁有十?dāng)?shù)年鈉離子電池領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，且為該項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)成果轉(zhuǎn)化提供了豐富的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)思路和應(yīng)用平臺(tái)。其創(chuàng)立的中科海鈉成立僅三年，便已實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池的大規(guī)模量產(chǎn)，月產(chǎn)能突破30萬(wàn)只，并擁有數(shù)十項(xiàng)鈉離子電池材料組成、結(jié)構(gòu)、制造和應(yīng)用的核心專利。
胡勇勝表示，過(guò)去幾年里，中科院物理研究所和中科海鈉團(tuán)隊(duì)，就鈉離子層狀氧化物兩種構(gòu)型形成的影響因素展開(kāi)了大量實(shí)驗(yàn)研究，并積極探索其在鈉離子電池應(yīng)用中的場(chǎng)景落地。作為專注于新一代儲(chǔ)能體系鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，中科海鈉希望能同更多行業(yè)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)展開(kāi)交流合作，以市場(chǎng)需求倒推產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，推動(dòng)鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
該工作得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（51725206）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 (2016YFB0901500）、中國(guó)科學(xué)院A類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA21070500）、北京市科委項(xiàng)目（Z181100004718008）、北京市自然科學(xué)基金-海淀原始創(chuàng)新聯(lián)合基金項(xiàng)目（L182056）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2020006）等項(xiàng)目的支持。（趙清建）
論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708
