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近日，中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授趙天壽，副研究員韓美勝，副教授曾林團(tuán)隊(duì)提出了一種集成聚陰離子和層狀氧化物的復(fù)合正極用于鈉離子電池，實(shí)現(xiàn)了十萬(wàn)圈循環(huán)壽命，容量保持率達(dá)72.6%，為長(zhǎng)壽命、低成本鈉離子電池設(shè)計(jì)策略帶來(lái)新思路。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際能源頂尖期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》上。

研究示意圖 南科大供圖

突破長(zhǎng)循環(huán)壽命極限

鋰離子電池憑借其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和成本持續(xù)降低的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等新能源領(lǐng)域。然而，鋰資源短缺的問(wèn)題制約了其發(fā)展，進(jìn)一步促使研究人員和產(chǎn)業(yè)界探索替代技術(shù)。

鈉資源豐富，成本低，且與鋰同族，化學(xué)性質(zhì)相似，有望成為鋰的有力補(bǔ)充。此外，研究發(fā)現(xiàn)鈉離子電池在低溫性能、安全性方面優(yōu)勢(shì)突出，其性能特征和市場(chǎng)前景已被市場(chǎng)充分認(rèn)知，被認(rèn)為是最有潛力的新型儲(chǔ)能電池之一。然而，傳統(tǒng)鈉離子電池正極材料存在明顯短板，聚陰離子型化合物穩(wěn)定性高但容量低，層狀氧化物容量高卻易受空氣和水汽侵蝕，且循環(huán)穩(wěn)定性差。

在該研究中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種嵌入多孔碳框架的聚陰離子-層狀氧化物復(fù)合正極，該正極由富鈉聚陰離子化合物和層狀氧化物組成原位共生雙相異質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后顯著提升了鈉離子存儲(chǔ)性能。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將聚陰離子型化合物和層狀氧化物結(jié)合，通過(guò)鐵摻雜降低磷酸釩鈉的帶隙，激活釩元素的氧化還原反應(yīng)，提升導(dǎo)電性和比容量；同時(shí)引入多孔碳骨架，增強(qiáng)電子傳導(dǎo)并緩沖體積膨脹。此外，低應(yīng)變的層狀氧化物相作為“穩(wěn)定劑”，有效緩解充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

論文第一作者、南科大機(jī)械與能源工程系碩士生鄒支宇介紹，該復(fù)合正極在0.1C倍率下可逆容量達(dá)130mAh/g，100C高倍率的電流密度下，循環(huán)十萬(wàn)次后容量保持率為72.6%，遠(yuǎn)超當(dāng)前聚陰離子型正極的壽命極限,比絕大多數(shù)的報(bào)道高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。團(tuán)隊(duì)還成功制備出安時(shí)級(jí)軟包電池，能量密度達(dá)153.4Wh/kg，循環(huán)壽命超500次，為后續(xù)工程化驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

鈉電產(chǎn)業(yè)迎來(lái)廣闊發(fā)展機(jī)遇

當(dāng)前，全球范圍內(nèi),鈉電池市場(chǎng)規(guī)模正呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)《2024中國(guó)鈉離子電池報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前，鈉離子電池在全球范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模生產(chǎn)以及特定場(chǎng)景的示范應(yīng)用，2023年全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)3.2億美元，預(yù)計(jì)到2030年將接近10億美元。

近年來(lái)，我國(guó)高度重視鈉離子電池的研發(fā)應(yīng)用。2022年，鈉離子電池被列入《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》；2023年，工信部等六部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確加強(qiáng)新型儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)。

“從電池全生命周期來(lái)看，長(zhǎng)壽命正極材料有望進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。”論文第一通訊作者、南科大副研究員韓美勝介紹，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將鈉離子電池正極的兩個(gè)主要體系-聚陰離子和層狀氧化物正極橋接起來(lái)，表明集成正極中的協(xié)同效應(yīng)可以推動(dòng)高能量密度、快速充電和長(zhǎng)循環(huán)壽命正極的開(kāi)發(fā)，并拓寬了未來(lái)正極研究的組成空間。

這種長(zhǎng)壽命、低成本的鈉離子電池正極設(shè)計(jì)策略展現(xiàn)了其在未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景。

”盡管鈉資源儲(chǔ)量是鋰的千倍，但與鋰電池相比其產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟，研發(fā)時(shí)間較短。目前鈉離子電池大規(guī)模商業(yè)化的核心挑戰(zhàn)在于成本高、能量密度低以及循環(huán)壽命短。”韓美勝表示，當(dāng)前鈉離子電池硬碳負(fù)極容量低、首效低、循環(huán)壽命相對(duì)較短以及電解液成本高等制約了鈉電池的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，推動(dòng)鈉離子電池的發(fā)展需要多線并進(jìn)。目前研究團(tuán)隊(duì)正在積極探索適配這款長(zhǎng)壽命正極的負(fù)極材料和電解液體系，以完善長(zhǎng)壽命鈉離子電池研發(fā)體系。未來(lái)，隨著技術(shù)迭代與政策支持，鈉離子電池有望成為大規(guī)模儲(chǔ)能的主力軍，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與能源安全戰(zhàn)略。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1039/D4EE05110F