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杨勇教授课题组在《自然∙通讯》发文报道钠离子电池研究新进展
发布时间:2021年09月16日 来源:化学化工学院

近日,化学化工学院杨勇教授课题组在钠离子电池层状氧化物正极材料构效关系的研究中取得重要进展,相关研究成果以“Engineering Na+-layer spacings to stabilize Mn-based layered cathodes for sodium-ion batteries”为题,发表于《自然∙通讯》Nature Communications, 12, 4903。

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钠离子电池(NIBs)具有原料储量丰富、成本低廉等优势,更有望应用于大规模储能器件,如静态储能基站和智能电网等。层状过渡金属氧化物(LiTmO2和NaxTmO2)材料目前仍然是锂离子电池(LIBs)和NIBs的主要正极材料,其晶体结构由碱金属(Li+/Na+)层和过渡金属(TmO2)层的有序堆叠组成。然而,LiTmO2和NaxTmO2材料在充放电过程中,Li+/Na+的嵌入和脱出会引起结构相变,导致电极材料容量快速衰退。引起层状氧化物正极材料结构相变的主要原因包括Tm离子的迁移、Tm/O离子氧化还原反应过程中Tm-O键的各向异性变化以及O-O、Na(Li)-O和Tm-O之间静电相互作用等。近年来,为了缓解Mn基NaxTmO2材料在充放电过程中的多重相变问题,杨勇教授课题组提出了多种材料设计和改性策略。比如,采用惰性元素部分替代Jahn-Teller中心,例如Al3+、Zn2+掺杂改性材料(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 18086-18095;Energy Storage Mater., 2020, 26, 503-512),虽然材料的元素掺杂可稳定材料结构和改善其循环稳定性,但通常会降低比容量和能量密度。另一个有效的材料改进策略是调节层状氧化物的原始结构。例如,通过调控材料制备的降温速率来调节Tm空位的浓度(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 35, 41669–41679;Nano Energy, 2020, 76, 104997),材料中降低金属离子空位可提升NaxTmO2的可逆容量和循环稳定性。然而,Mn基NaxTmO2材料的电化学性能,特别是循环稳定性仍然远不及其对应的LiTmO2。因此,提出并验证材料设计新策略,对于改善NaxTmO2材料的性能是非常必要的。

针对以上问题,基于先前P2型NaxTmO2在潮湿气氛中化学和材料结构变化过程的研究(Nature Communications, 2020, 11, 3544),杨勇课题组提出了一种简单而有效的水介导改性策略,即在Na0.67MnO2材料的Na+层中插入水分子,再通过高温脱水获得页岩状钠氧化物。该策略有效地扩大了P2型Na0.67MnO2的Na+层间距,并将颗粒转变为页岩状形态。因此,在充放电过程中,该材料表现出了高的Na+迁移率和接近零体积应变的特性,在10C倍率条件下可稳定循环 3000次以上。该论文发表后即得到电池界的普遍关注,1个月论文下载量超过3000次。

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该研究工作得到美国国家强磁场实验室傅日强教授、娱乐天地平台王鸣生教授(共同通讯)以及吴顺情教授的支持和帮助。论文第一作者为化学化工学院2017级博士研究生左文华(已毕业)。研究工作得到了国家自然科学基金(21761132030、21935009、 U1932201)和国家重点研发计划(2016YFB0901502)的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25074-9

(化学化工学院)


【责任编辑:林余颖】