钠离子电池层状氧化物材料的合理设计
Pub Date:
2020-11-06
, DOI:
10.1126/science.aay9972单位：中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心/荷兰代尔夫特理工大学作者：Chenglong Zhao, Qidi Wang, Zhenpeng Yao, Jianlin Wang, Benjamín Sánchez-Lengeling, Feixiang Ding, Xingguo Qi, Yaxiang Lu, Xuedong Bai, Baohua Li, Hong Li, Alán Aspuru-Guzik, Xuejie Huang, Claude Delmas, Marnix Wagemaker, Liquan Chen, Yong-Sheng Hu文献链接：Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries (Science, 2020, doi: 10.1126/science.aay9972)关键词：钠电
层状氧化物
导读
自1980年以来，锂离子层状氧化物（LiMO2）都是锂离子电池的主要正极材料，其堆积构型为O型（Octahedral，八面体）。与之相比，钠离子层状氧化物（NaxMO2）却具有O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时各有优势，但目前的技术手段仅可实现对合成出的材料进行物理表征以确定具体构型，无法直接预测材料的堆积结构，这严重阻碍了层状氧化物正极材料的性能设计和新型正极材料的发现。
一般而言，O3相正极材料具有较高的初始Na含量，能够脱出更多的钠离子，具有较高的容量，适用于低速电动车、大规模储能领域；P2相正极材料具有较大的Na层间距，能够提升钠离子的传输速率和保持层状结构的完整性，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。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。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，降低钠含量可获得P2相。基于此，本次工作研究人员引入“阳离子势”，来表示阳离子电子密度及其极化率的程度，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。该研究揭示了钠离子层状氧化物中O3型结构和P2型结构之间的竞争关系，提出了一种简单的预测堆叠结构的方法，优化了钠离子电池的制造环节，为进一步提高钠离子电池体系储能特性提供了精准指导.
