鈉離子電池高電壓正極材料低能耗規模化製備取得重要進展

2020-12-06 電池網

使用廣泛的鋰離子電池由於鋰資源價格昂貴以及地質儲量有限等因素可能不能滿足大規模儲能的需求。而鈉離子電池由於鈉資源儲量豐富且價格低廉越來越引起人們的廣泛關注，並有可能在大規模儲能領域獲得應用。

近日，在中國科學院過程工程研究所綠色化工研究部和中國科學院物理研究所清潔能源團隊多年來持續不斷的合作及共同努力下，鈉離子電池用聚陰離子型高電壓正極材料的低能耗規模化製備取得了重要進展。

我們知道，可充電電池廣泛用於生活中的諸多方面。使用廣泛的鋰離子電池由於鋰資源價格昂貴以及地質儲量有限等因素可能不能滿足大規模儲能的需求。而鈉離子電池由於鈉資源儲量豐富且價格低廉越來越引起人們的廣泛關注，並有可能在大規模儲能領域獲得應用。聚陰離子型化合物氟磷酸釩鈉Na3(VO1-xPO4)2F1+2x (0 ≤ x ≤ 1)（NVPFs）作為鈉離子電池的正極材料，具有高達480 Wh/kg的能量密度。如果NVPFs能夠工業化應用，其全電池的能量密度可以和鋰離子電池媲美。

以趙君梅副研究員領導的小組長期以來一直攻關氟磷酸釩鈉的低能耗綠色合成方法。最近，在針對NVPFs進行了一系列水熱/溶劑熱合成方法系統研究之後，她們進一步提出以萃取分離為前提直接製備功能材料，即萃取分離製備一體化的概念，並以Na3(VOPO4)2F（NVPOF）為例，開發了一步便利的室溫可控制備技術，闡述了這一概念的具體應用。NVPFs自1999年由法國科學家J.-M. Le Meins首次報導以來，一直沿用的是高溫固相的合成方法，而高能耗勢必增加該材料的成本，這將限制該材料的廣泛應用。據報導，法國著名科學家Jean-Marie Tarascon教授已經將氟磷酸釩鈉用於做成圓柱形18650鈉離子電池，然而僅限於實驗室。而我們開發的基於萃取分離的室溫一步可控制備技術大大地降低了正極材料的生產成本。特別有意思的是，通過巧妙設計，獲得的NVPOF是一種具有多殼層微觀結構的微球，其形成機理主要是基於原位生成的氣泡作為軟模板，並且溶液中共沉澱產生的納米顆粒與氣泡表面發生層層自組裝的結果。所合成的NVPOF微球，在沒有任何額外的高溫燒結、納米化以及碳包覆處理的條件下，展現了優越的倍率性能和突出的循環性能。可以說有關氟磷酸釩鈉的實驗室研究目前已達到國際領先水平。

這一研究成果必定會加速氟磷酸釩鈉的工業化進程。

這是首次報導室溫一步可控合成一種聚陰離子化合物，也是對正極材料的常規高溫固相法以及水熱合成法的挑戰。而有關原位氣泡軟模板策略相對於常規的硬模板以及表面活性劑模板也極具新穎性，可以被拓展到其它多殼微觀結構的合成中。

同時這一研究成果標誌著萃取分離和功能材料製備一體化技術的初步實現，這可以顯著降低正極材料的製備成本。這一技術可以進一步拓展到廢舊二次電池正極材料的循環利用以及其它相似電極材料的室溫規模化製備中。

這一成果發表於Cell出版社能源旗艦期刊Joule。

文章連結：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30338-6。

題目：Scalable Room-Temperature Synthesis of Multi-shelled Na3(VOPO4)2F Microsphere Cathodes, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.07.027

此項工作得到了國家重點技術研究發展計劃（2016YFB0901500）、國家自然科學基金項目（51672275，51421002）、北京市自然科學基金（2182074）以及美國能源部項目(DE-AC02-06CH11357)的支持。

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