2018年8月14日
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郭少华、周豪慎团队开发了钠离子电池用无相变长循环正极材料

近日,现代工程与应用科学学院郭少华副教授和周豪慎教授团队开发了一种新型的P1(_)-NCM材料,这种材料具有独特的层状三斜晶系相结构和纳米尺寸的无钠界面层,并且在宽的电压范围2-4.5V展示出无相变的特性,因此P1(_)-NCM材料展示出了优异的环境稳定性和电化学稳定性,其在潮湿空气存放60天后的样品还是能展示出优秀的结构稳定性和组装成电池后具有超长循环寿命。该工作以“A Phase-Transition-Free Cathode for Sodium-ion Batteries with Ultralong Cycle Life”为题发表在国际知名能源期刊《Nano Energy》上(Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen. 2018.07.042),南京大学为该研究工作的唯一通讯单位,郭少华副教授、周豪慎教授为共同通讯作者,论文第一作者是现代工程与应用科学学院2016级博士研究生江克柱。

钠离子电池具有原料丰富和价格低廉的特点,被认为在大规模储能系统和智能电网应用中具有广阔前景。其中过渡金属层状氧化物具有高的理论比容量,组份多样且合成简单被认为是最有希望商业化的正极材料之一。但是层状过渡金属氧化物在电化学过程中钠离子的脱嵌,往往会使材料发生一系列的相变,如:O3相到P3相或P2相到O2相的相变,并且伴随着严重的体积变化,导致结构易坍塌,电池循环寿命的降低。因此,设计无相变的层状氧化物正极材料,保证材料的高容量和高循环稳定性,也是推进钠离子电池实用化的关键。

这种新型的P1(_)-NCM材料体相为层状三斜晶体结构,其表面为一层约为2nm的无钠的氧化物包裹层,其可以起到很好的保护体相的层状结构的作用,避免体相层状结构与环境中的水份和二氧化碳发生反应,极大的提高的材料的环境稳定性。因此P1(_)-NCM材料材料在经过潮湿空气暴露60天或在水中浸泡5天后,材料的相结构与原始材料高度一致,电化学性能也没有非常明显的变化,进一步说明的材料的环境稳定性。另外,作者还通过原位和非原位的XRD表征手段发现P1(_)-NCM材料在宽电压范围2-4.5V之间展示出了单相固溶的行为,充电前后的体积变化仅为0.36%,很好的保证材料在充放电过程中的循环稳定性。因此,这种新型P1(_)-NCM材料展示出了高比容量和高倍率性能,无相变和长期循环稳定性。尤其是老化后的样品在1000次循环后放电容量保持率仍有95.8%。这种新开发的具有环境和电化学稳定性的P1(_)-NCM材料,将进一步推进钠离子电池的实用化。

图1 P1(_)-NCM//Na的循环性能和库仑效率图;插图为该材料的特殊结构设计-表面去钠无定形和体相富钠层状结构,保证了材料的化学/电化学稳定性;

本研究得到现代工程与应用科学学院王鹏教授及其团队成员在电镜方面做出的重要帮助,该研究得到了固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等平台与项目的大力支持,同时得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金青年项目的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)