十一月六日，我國(guó)科學(xué)院物理研究所科研團(tuán)隊(duì)與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、法國(guó)波爾多大學(xué)等合作，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)制備供應(yīng)了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

記者獲悉，這是《科學(xué)》創(chuàng)刊百余年來(lái)首次刊登鈉離子電池領(lǐng)域相關(guān)文章，不僅表明了國(guó)際主流科學(xué)界對(duì)該技術(shù)取得突破的重視，也反應(yīng)了我國(guó)鈉離子電池前沿技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果的重要研究人員包括中科院物理所博士趙成龍、副研究員陸雅翔、研究員胡勇勝，法國(guó)波爾多大學(xué)教授ClaudeDelmas和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)教授MarnixWagemaker教授等。

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）這一能實(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，鋰離子電池雖然已占據(jù)全球電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模市場(chǎng)的80%份額，但由于其資源的稀缺性和較高昂成本，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面對(duì)“天花板”，資源儲(chǔ)量豐富、成本低廉的鈉離子電池便成為了最佳的補(bǔ)充。然而，鈉離子電池的性能因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）都是鋰離子電池的重要正極材料，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)）。胡勇勝告訴《我國(guó)科學(xué)報(bào)》：“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)，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)汽車、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)。胡勇勝說(shuō)：“在實(shí)際工業(yè)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，假如能提前設(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?！?/p>

胡勇勝也是中科海納的創(chuàng)始人，他帶領(lǐng)的中科院物理所和中科海鈉研究團(tuán)隊(duì)是全球較早關(guān)注該領(lǐng)域研究的團(tuán)隊(duì)之一。2016年，中科院物理所博士戚興國(guó)（現(xiàn)任中科海鈉材料部經(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。

在后續(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，胡勇勝團(tuán)隊(duì)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)鍵相互用途，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)供應(yīng)了有效解決方法。

業(yè)內(nèi)專家表示，該研究揭示了鈉離子層狀氧化物中O3型結(jié)構(gòu)和P2型結(jié)構(gòu)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，優(yōu)化了鈉離子電池的制造環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步提高鈉離子電池體系儲(chǔ)能特性供應(yīng)了精準(zhǔn)指導(dǎo)。

低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)獲進(jìn)展