近日, 中國科學院深圳先進技術研究院整合所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊通過設計思路創新, 成功研發出一種具有多離子設計策略的高性能鈉離子全電池. 相關研究成果A Multi-Ion Strategy towards Rechargeable Sodium-Ion Full Batteries with High Working Voltage and Rate Capability (《多離子設計策略的高電壓, 高倍率鈉離子全電池》) 線上發表於國際化學期刊Angewandte Chemie International Edition (《德國應用化學》) (DOI: 10.1002/anie.201810575) .
在堿金屬元素中, 鈉具有儲量豐富, 價格低廉等優勢. 因此, 鈉離子電池在大規模儲能等領域具有廣闊的應用前景. 然而, 鈉的標準電極電勢 (-2.71 V vs. SHE) 高於鋰 (-3.04 V vs. SHE) , 導致鈉離子電池具有較低的工作電壓. 此外由於鈉離子半徑較大 (Na: 0.98埃 vs. Li: 0.69埃) , 使得其傳輸動力學較差, 並且易導致較大的電極材料膨脹, 從而限制了鈉離子電池的倍率和迴圈性能.
基於上述考慮, 唐永炳及其團隊成員蔣春磊, 方月等人成功研發出一種多離子設計策略 (Na+/Li+/PF6-) 的新型鈉離子全電池. 其中正極材料為膨脹石墨, 負極採用可以同時與Na和Li發生合金化反應的金屬材料, 並進行集流體/活性材料一體化設計, 同時採用多離子設計的Na+/Li+/PF6-有機電解液. 這種多離子設計策略具有兩大優勢: 一方面, 利用陰離子 (PF6-) 插層石墨具有高電勢的特點, 顯著提升了鈉離子電池的工作電壓; 另一方面, 多離子設計策略可有效提升電池的反應動力學, 並降低金屬負極在合金化過程中的體積膨脹, 從而大幅改善了倍率性能和迴圈壽命. 研究結果表明, 這種策略設計的鈉離子電池具有高達~4.0 V的工作電壓; 同時獲得了高達30C (2 min充放電) 的倍率性能和500圈 (容量保持率95%, 5 C倍率) 的迴圈壽命. 該研究成果為提升鈉離子電池電化學性能提供了新的解決思路.
該項研究得到國家自然科學基金優青項目, 中科院STS項目, 深圳市科技計劃項目等的資助.
(a) 錫負極的充放電曲線; (b, c) Na, Li與Sn發生可逆共合金化反應; (d) 陰離子 (PF6-) 插層石墨具有良好的可逆性; (e) 錫負極原位電化學應力測試證明合金化反應過程中具有良好的力學可逆性; (f) Na和Li原子在Sn晶格中的擴散路徑和相應的擴散能壘 (g) ; 合金相NaSn (h) 和Li2Sn5 (i) 的態密度圖.
