近期，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒、副研究員鄭瓊帶領(lǐng)的研究團隊在鈉離子電池超高面載量電極研究方面取得新進展。

 

　　鈉離子電池具有資源豐富、成本低、安全性高等優(yōu)點，在中低速電動車、電動自行車、用戶側(cè)儲能、大規(guī)模儲能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，但由于鈉離子具有較大的相對原子質(zhì)量及粒子半徑，且其在電極中嵌入與脫嵌動力學(xué)差，使得鈉離子電池較鋰離子電池比能量和比功率偏低。開發(fā)高面容量電極是提高電池比能量的有效方法之一。對于傳統(tǒng)的刮涂法制備的電極，電極組分的隨意堆疊將形成高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)。隨著電極厚度的增加，高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)將大幅增加離子傳輸路徑，增加鈉離子在電極內(nèi)部的擴散阻力，使得離子傳輸成為電化學(xué)反應(yīng)的限速步驟，導(dǎo)致電池比功率較低。

 

　　研究團隊基于非溶劑誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化方法，調(diào)控成膜熱力學(xué)和動力學(xué)過程，制備出一種具有低彎曲度指狀孔的超高面容量（60 mg/cm2，4.0 mAh/cm2）磷酸釩鈉基電極結(jié)構(gòu)。在低彎曲度指狀孔電極內(nèi)，一方面，鈉離子首先沿著指狀孔在電極厚度方向遷移（比在多孔介質(zhì)中的遷移速度高出幾個數(shù)量級），隨后發(fā)生離子橫向擴散，離子輸運路徑明顯縮短；另一方面，由于鈉離子的有效離子擴散速率與彎曲度成反比，使得低彎曲度指狀孔內(nèi)可實現(xiàn)更快的鈉離子傳輸，進而有效促進了鈉離子擴散動力學(xué)。此外，研究團隊將多物理場耦合的有限元模擬分析首次應(yīng)用于鈉離子電池電極結(jié)構(gòu)設(shè)計及其內(nèi)部的電荷傳遞動力學(xué)過程研究，獲得了不同彎曲度多孔電極內(nèi)反應(yīng)物濃度、電流密度、極化等的時間和空間分布特性。結(jié)果顯示，得益于快速的鈉離子擴散動力學(xué)，低彎曲度多孔電極內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)更均勻，鈉離子傳輸更快，進而驗證了低彎曲度指狀孔電極，特別是高面容量電極在大電流運行工況下電池比功率優(yōu)勢。該研究為高比能量、高比功率鈉離子電池設(shè)計開發(fā)提供了新思路。

 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。

 

　　近年來，該團隊致力于釩基正極/硬碳負(fù)極鈉離子電池體系研究，針對正負(fù)極電極和電解液中存在的電子電導(dǎo)率低、離子擴散動力學(xué)慢、界面穩(wěn)定性差等關(guān)鍵科學(xué)問題，開展了系列研究工作（Nano Energy，2018；ACS Energy letter，2019；J. Mater. Chem. A，2020；ACS Appl. Mater. Interfaces，2020）；通過關(guān)鍵材料及電芯制備工藝的創(chuàng)新與優(yōu)化，開發(fā)出5.2 Ah磷酸釩鈉/硬碳基鈉離子電池電芯，其比能量超過115 Wh/kg，5C容量保持率＞81%，0.33C循環(huán)近1000次容量保持率＞90%。上述進展有利于推進鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進程。