近日，物理學(xué)院吳興隆教授團(tuán)隊(duì)在高性能鈉離子電池領(lǐng)域取得系列科研進(jìn)展。隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展的不斷推進(jìn)，對(duì)其性能的要求也在不斷地提升，不僅需要提供更高的能量密度，還對(duì)極端工作環(huán)境應(yīng)用提出了更高要求。針對(duì)這些問題，吳興隆教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開發(fā)了適于寬溫域工作和長(zhǎng)循環(huán)壽命的鈉離子電池電解液、粘結(jié)劑以及超快制備的鈉離子電池電極材料，取得的研究結(jié)果有望促進(jìn)高性能鈉離子電池的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，研究成果陸續(xù)發(fā)表于Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials和Energy Storage Materials等材料/化學(xué)學(xué)科頂級(jí)期刊。
通過設(shè)計(jì)電解液的添加劑組分、溶劑化結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電極/電解質(zhì)界面，提升Na+傳輸動(dòng)力學(xué)，成功實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池的全天候適應(yīng)性。開發(fā)的寬溫區(qū)鈉離子電池，在?25至75℃跨度100℃的溫度范圍均可穩(wěn)定運(yùn)行：在60℃下循環(huán)1000圈后，容量保持率仍然為84%；在75℃下循環(huán)300圈，容量保持率達(dá)到80%；以Na3V2(PO4)2O2F和硬碳分別為正極和負(fù)極組裝的全電池，在?25℃和50℃下循環(huán)超過500次和1000次，在連續(xù)溫度變化的全天候動(dòng)態(tài)測(cè)試中表現(xiàn)出出色的溫度適應(yīng)性。該成果以“Electrolyte Chemistry toward Ultrawide-Temperature (?25to75℃) Sodium-Ion Batteries Achieved by Phosphorus/Silicon-Synergistic Interphase Manipulation”、“Self-Purification and Silicon-Rich Interphase Achieves High-Temperature (70°C) Sodium-Ion Batteries with Nonflammable Electrolyte”為題，分別發(fā)表于國(guó)際著名期刊Journal of the American Chemical Society（2024, 146, 7295–7304；被選為封面文章）和Energy Storage Materials（2024, 66, 103230），兩篇論文的第一作者為物理學(xué)院博士研究生梁皓杰。
圖1 寬溫域鈉離子電池的相關(guān)研究成果
為了充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的高電壓磷酸鹽正極材料的高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命特性，推進(jìn)其真實(shí)電池應(yīng)用，設(shè)計(jì)新型氫鍵交聯(lián)螺旋結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)了達(dá)到實(shí)用化水平的厚電極制備和全電池裝配與評(píng)價(jià)。氫鍵交聯(lián)粘結(jié)劑的構(gòu)建，優(yōu)化了載流子傳導(dǎo)行為和電極/電解質(zhì)的界面，減小了電池自放電效應(yīng)，顯著延長(zhǎng)了電池循環(huán)穩(wěn)定性和壽命，為其應(yīng)用開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該成果以“Hybrid Binder Chemistry with Hydrogen-Bond Helix for High-Voltage Cathode of Sodium-Ion Batteries”為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊Journal of the American Chemical Society（2024, 146, 4652–4664；被選為封面文章）。
為了實(shí)現(xiàn)鈉電磷酸鹽正極的多電子轉(zhuǎn)移、獲得更高的能量密度，在前期高熵?fù)诫s理念（Advanced Materials, 2022, 34, 2110108）的基礎(chǔ)上，提出多元素調(diào)控的熵增取代新策略，實(shí)現(xiàn)多級(jí)氧化還原和固溶離子脫嵌過程，打破高電壓下氧化還原過程難實(shí)現(xiàn)的壁壘，最終開發(fā)的MLNP正極材料實(shí)現(xiàn)了2.77個(gè)電子轉(zhuǎn)移，材料能量密度達(dá)到440 Wh kg-1，為NASICON結(jié)構(gòu)正極材料應(yīng)用于鈉離子電池、制造高比能鈉離子電池開辟了一條新路徑。相關(guān)成果以“Homeostatic Solid Solution Reaction in Phosphate Cathode: Breaking High-Voltage Barrier to Achieve High Energy Density and Long Life of Sodium-Ion Batteries”為題發(fā)表于Advanced Materials （2024, 36, 2400690）上。上述兩篇論文的第一作者為物理學(xué)院博士研究生谷振一。
圖2 高性能磷酸鹽正極材料的開發(fā)與應(yīng)用的相關(guān)研究成果
針對(duì)鈉電負(fù)極材料制備過程復(fù)雜、制備時(shí)間過長(zhǎng)等缺點(diǎn)，與廣州大學(xué)牛利教授和韓冬雪教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一步超快、無溶劑的微波熱解方法，得到了一種硒空位調(diào)控的雙金屬硒化物異質(zhì)結(jié)作為柔性負(fù)極材料，該異質(zhì)結(jié)固定在具有堅(jiān)固界面C-Se-Co/Fe化學(xué)鍵的廢棉布衍生的柔性碳布上。富硒空位和CoSe2/FeSe2-x異質(zhì)結(jié)構(gòu)同步形成，可以顯著提升鈉離子和電子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)行為。此外，硒空位異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面上均勻的碳層賦予它卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。1000圈循環(huán)后，在1.5 mAh cm-2的電流密度下可以獲得1.65 mAh cm-2的高可逆面容量。通過耦合CCFSF負(fù)極、PB@FCC正極與凝膠聚合物電解質(zhì)，組裝了先進(jìn)的柔性準(zhǔn)固態(tài)鈉離子軟包電池，該全電池不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)能特性，而且具有強(qiáng)大的機(jī)械靈活性和安全性。本工作為實(shí)現(xiàn)高安全性的柔性儲(chǔ)能設(shè)備提供了一條有效途徑，為柔性可穿戴電子設(shè)備的電源需求提供保障。該成果以“Solvent-Free Ultrafast Construction of Se-Deficient Heterojunctions of Bimetallic Selenides Towards Flexible Sodium-Ion Full Batteries”為主題，發(fā)表于Advanced Materials（2024, 36, 2308987）上。
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https://doi.org/10.1021/jacs.3c11776
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https://doi.org/10.1002/adma.202400690
https://doi.org/10.1002/adma.202308987
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103230
