我校科研团队成果使低成本钠离子电池有望取代锂离子电池
相关成果发表在国际顶级期刊《自然·通讯》
本报讯 电动车、移动电源、手机……尽管锂离子电池已经广泛应用，但由于地球上的锂资源十分有限，且开采成本高，近年来价格不断上涨。而钠资源丰富，开采费用仅为锂的百分之一，因而钠离子电池的研发成为科研人员争相“开垦”的热点领域。近日，我校材料学院/格莱特研究院夏晖教授团队首创结构设计和调控方法，与中科院物理所谷林研究员及美国加州大学圣地亚哥分校孟颖教授合作，在面向钠离子电池的锰基正极材料研究中取得重要进展，研究成果使低成本钠离子电池有望取代锂离子电池，相关成果发表在国际顶级期刊《自然·通讯》（NatureCommunications）。
由于层状结构的NaxMnO2正极材料具有理论容量高、价格低廉及来源广泛等优点，当前，科研人员多以其作为钠离子电池正极材料的研究对象，但由于NaxMnO2正极材料的层间距狭窄，充放电过程中，半径较大的钠离子在层间迁移时，会“挤坏”正极材料的结构，成为制约钠离子电池研发的关键难点。除层间距外，影响钠离子电池性能的另一重要因素为层状结构中的钠离子含量。不少科研人员尝试通过各种方法制备出了不同层状结构的NaxMnO2，但始终无法有效扩大层间距；或是通过在层间引入结晶水以拓宽层间距，却又无法兼顾高钠含量，导致正极材料的充放电次数与充放电倍率等性能指标难以满足实际应用需求。因而制备出兼具大层间距、高钠离子含量的层状结构正极材料，是科研人员努力追求的“鱼和熊掌”。
夏晖教授团队首创结构设计和调控方法，与合作者在水钠锰矿层状结构的基础上，成功制备出兼具大层间距与高钠离子含量的层状NaMnO2–y–δ(OH)2y纳米正极材料。该成果去除了水钠锰矿结构中固有的结晶水，首次将水钠锰矿结构中的钠离子含量由0.3-0.5提高到1，所得电极的比容量达到211.9mAhg-1；同时克服了结晶水去除后层间距收缩的缺陷，使层间距保持在0.7nm，相比现有正极材料的0.55nm-0.57nm，保证了钠离子可以在层间自由迁移扩散，充放电过程中正极材料结构稳定无相变，体积变化仅为2%，循环充放电1000次后，比容量保持率高达94.6%。目前市面上流通的 锂 电 池 正 极 材 料 比 容 量 约 为140mAhg-1，电池行业的比容量保持率标准约为80%，该成果的性能不仅大幅度超越了之前报道的锰基正极材料，更展示了钠离子电池较好的应用前景，对钠离子电池层状正极材料的结构设计和调控提供了新的思路和策略。（崔玉萌）