近日，新材料學(xué)院肖蔭果課題組在國(guó)際綜合期刊《Advanced Science》上發(fā)表題為“Layered Cathode with Ultralow Strain Empowers Rapid-charging and Slow-Discharging Capability in Sodium Ion Battery”的文章，不同于常規(guī)倍率測(cè)試中的快充快放模式，該文章聚焦于更適配實(shí)際應(yīng)用的快充慢放這一不對(duì)稱(chēng)電化學(xué)測(cè)試模式，這不僅要求極高的倍率性能以滿足不對(duì)稱(chēng)倍率下的對(duì)稱(chēng)鈉離子嵌脫量，并且要求正極材料具有極低的結(jié)構(gòu)應(yīng)變以適配高速嵌脫鈉過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該研究通過(guò)將鉀離子鉚釘在鈉層，優(yōu)化了過(guò)渡金屬層的有序分布和鈉離子的擴(kuò)散路徑，降低了鈉離子擴(kuò)散能壘并賦予了該正極顯著的倍率性能。改性正極在快充慢放測(cè)試中不僅可以輸出對(duì)稱(chēng)容量，還展現(xiàn)出極低的體積應(yīng)變。該研究對(duì)快充慢放鈉離子電池正極的研究具有重要意義。
圖1. 具備快充慢放能力的層狀正極的設(shè)計(jì)策略、倍率性能及快充慢放過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化機(jī)制
電動(dòng)出行方式的發(fā)展推動(dòng)了對(duì)具備快速充電和緩慢放電能力的二次電池的需求，其中，以層狀氧化物為正極的鈉離子電池由于其綜合電化學(xué)性能展示出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。然而，為了滿足該需求，需要進(jìn)一步提升正極材料的倍率性能以實(shí)現(xiàn)不同倍率下的對(duì)稱(chēng)容量。同時(shí)，在非對(duì)稱(chēng)電化學(xué)過(guò)程中減小晶格應(yīng)變對(duì)緩解應(yīng)變積累也具有重要意義。本研究通過(guò)將鉀離子鉚釘在鈉層，優(yōu)化了過(guò)渡金屬層的有序分布和鈉離子的擴(kuò)散路徑，進(jìn)而促進(jìn)了其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在20C倍率下，電池的容量可以達(dá)到0.1C倍率的94%。此外，鈉層的鉚釘效應(yīng)使得改性后的正極在10C充電和1C放電過(guò)程中全局體積應(yīng)變僅為0.03%。總之，本文通過(guò)鈉層的鉚釘策略極大降低了正極的結(jié)構(gòu)應(yīng)變并優(yōu)化了鈉離子的擴(kuò)散路徑，展示了其具有快速充電和緩慢放電能力的良好前景，推動(dòng)了鈉離子電池商業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。
北京大學(xué)新材料學(xué)院肖蔭果長(zhǎng)聘副教授及德國(guó)于利希研究中心的楊婷婷博士為該論文通訊作者，我院博士生楊茂林及陳子威為論文的第一作者。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣東東莞松山湖大科學(xué)設(shè)施開(kāi)放課題以及深圳市發(fā)改委支持的物質(zhì)基因組大科學(xué)設(shè)施平臺(tái)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202404701.
