近日，中國科學院物理研究所研究員、中科海鈉創始人兼董事長胡勇勝團隊聯合荷蘭代爾夫特理工大學Prof. Marnix Wagemaker及法國波爾多大學Prof. Claude Delmas等提出了一種簡單的預測鈉離子層狀氧化物構型的方法，並在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計製備提供了理論指導。相關成果以「鈉離子電池層狀氧化物材料的合理設計（Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries）」為題，於2020年11月6日在線發表在《科學》（Science）雜誌上。
近年來，隨著全球化學電池市場的快速發展和人們對環境問題的日益重視，二次電池（又稱可充電電池或蓄電池）這種能實現電能與化學能轉化的新型儲能技術，在新一輪能源變革中受到廣泛關注。其中，鋰離子電池雖然已成為佔據全球電化學儲能規模市場80%份額的「絕對一哥」，但由於其資源的稀缺性和較高昂成本，產業發展面臨「天花板」，而資源儲量豐富、成本低廉的鈉離子電池，便成為了極佳的補充。然而，鈉離子電池的性能卻受到可用電極材料的限制，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。
自1980年以來，鋰離子層狀氧化物（LiMO2）都是鋰離子電池的主要正極材料，其堆積構型為O型（Octahedral，八面體）。與之相比，鈉離子層狀氧化物（NaxMO2）卻具有O和P（Prismatic，三稜柱）兩種構型，其中最常見的兩種結構分別為O3和P2（數字代表氧最少重複單元的堆垛層數）。這兩種結構的層狀氧化物作為鈉離子電池的正極材料時各有優勢，但目前的技術手段僅可實現對合成出的材料進行物理表徵以確定具體構型，無法直接預測材料的堆積結構，這嚴重阻礙了層狀氧化物正極材料的性能設計和新型正極材料的發現。
一般而言，O3相正極材料具有較高的初始Na含量，能夠脫出更多的鈉離子，具有較高的容量，適用於低速電動車、大規模儲能領域；P2相正極材料具有較大的Na層間距，能夠提升鈉離子的傳輸速率和保持層狀結構的完整性，具有優異的倍率性能和循環性能，在充電樁、調頻、數據中心等快充場景應用更具優勢。在實際工業化產品開發中，如果能提前設計材料構型，便能精準適配和打造最優結構的鈉離子電池化學體系，大大提高研發效率。
由胡勇勝帶領的中科院物理所和中科海鈉研究團隊是全球最早關注該領域研究的團隊之一。2016年，中國科學院物理研究所博士戚興國（現中科海鈉材料部經理）創新性地引入等效半徑（等效半徑即加權半徑，是將過渡金屬的半徑乘以該過渡金屬的含量）的概念來預測堆疊機構，為該課題研究首開思路。
後續研究中，胡勇勝團隊在總結不同系列層狀氧化物結構參數的過程中發現：O3和P2兩種結構材料的Na層間距（d(O-Na-O)）和M層間距（d(O-M-O)）的比值有一個臨界值1.62，比值高於1.62通常形成P2相，低於1.62易形成O3相。通過提高鈉含量可獲得O3相；反之，降低鈉含量可獲得P2相。
基於此，本次工作研究人員引入「陽離子勢」，來表示陽離子電子密度及其極化率的程度，捕捉層狀材料的關鍵相互作用，使預測堆積結構成為可能。通過合理設計和製備具有改良性能的層狀電極材料，證明了堆疊結構決定材料的特性，為鹼金屬層狀氧化物的設計提供了有效解決方案。
該項研究進展不僅為層狀氧化物結構的設計提供了新的方法，而且用實驗確認了該簡單方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計製備打下了堅實的科學基礎。
據了解，胡勇勝研究員作為本工作的主要研究成員之一，擁有十數年鈉離子電池領域研發經驗，且為該項技術的商業成果轉化提供了豐富的產業化技術思路和應用平臺。其創立的中科海鈉成立僅三年，便已實現了鈉離子電池的大規模量產，月產能突破30萬隻，並擁有數十項鈉離子電池材料組成、結構、製造和應用的核心專利。
胡勇勝表示，過去幾年裡，中科院物理研究所和中科海鈉團隊，就鈉離子層狀氧化物兩種構型形成的影響因素展開了大量實驗研究，並積極探索其在鈉離子電池應用中的場景落地。作為專注於新一代儲能體系鈉離子電池研發與生產的高新技術企業，中科海鈉希望能同更多行業內研究機構及企業展開交流合作，以市場需求倒推產品開發，推動鈉離子電池的產業化應用。
該工作得到了國家傑出青年科學基金（51725206）、國家重點研發計劃項目 (2016YFB0901500）、中國科學院A類戰略性先導科技專項（XDA21070500）、北京市科委項目（Z181100004718008）、北京市自然科學基金-海澱原始創新聯合基金項目（L182056）、中國科學院青年創新促進會（2020006）等項目的支持。（趙清建）
論文連結：https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708
來源： 光明網