廈大在鈉離子電池層狀金屬氧化物正極材料空氣穩定性研究取得進展

2020-07-24 小材科研

近日，廈門大學楊勇教授課題組在鈉離子層狀氧化物正極材料的空氣穩定性研究取得重要進展，相關研究成果以「The stability of P2-layered sodium transition metal oxides in ambient atmospheres」為題在線發表於《自然-通訊》Nature Communications, 2020, 11, 3544。

廈大在鈉離子電池層狀金屬氧化物正極材料空氣穩定性研究取得進展

鈉離子電池由於鈉的地球儲量豐富、成本低廉及其獨有的電池安全特性等優勢，是未來風、光電等規模化儲能系統的重要候選者，因而對電池的循環壽命、功率特性及其材料的製造性能提出了很高的要求。儘管層狀鈉離子過渡金屬氧化物的體積能量密度較高，但其在充放電過程中材料結構相變可逆性差、電極/電解液界面不穩定以及空氣中暴露易發生化學變質等問題嚴重阻礙了其商業化的應用。

針對該類材料空氣穩定差的問題，楊勇教授課題組在該文中選擇了兩種典型的金屬層狀氧化物（P2-Na0.67MnO2和P2-Na0.67Ni0.33Mn0.67O2），通過嚴格設計及控制實驗環境及其反應條件，藉助於多種先進的譜學以及高分辨電鏡表徵手段，結合DFT計算，對P2-型層狀金屬氧化物在潮溼氣氛中發生的化學和材料結構變化過程進行了深入細緻的解析，首次提出並證明可以用其中過渡金屬離子在首次充電時的氧化電位作為層狀鈉離子氧化物空氣穩定性的判斷原則。

廈大在鈉離子電池層狀金屬氧化物正極材料空氣穩定性研究取得進展

近年來，楊勇教授課題組致力於發展高性能的鈉離子電池層狀過渡金屬氧化物正極材料。例如他們通過合理的材料結構設計和體相/界面調控，並結合原位同步輻射X射線衍射譜和X射線吸收光譜、同步輻射共振非彈性X射線散射（mRIXS）、原位實驗室光源X射線衍射譜、固體核磁譜等結構和價態表徵手段對其充放電反應機理進行了深入的研究，有效地提高了P2型錳酸鈉材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 18086-18095；Nano Energy, 2020, 76, 104997）和鎳錳酸鈉材料（ACS Appl. Mater. interfaces, 2016, 8，22227-22237；J. Power Sources 2015, 281, 18-26；ACS Appl. Energy Mater., 2019, 2, 4914-4924）的循環穩定性、通過原子層沉積（ALD）顯著提升電極-電解液界面的穩定性（Energy Storage Mater., 2020, 26, 503-512）、並且通過調控電解液實現了鎳錳酸鈉與軟碳材料的全電池組裝（J. Power Sources 2018, 400, 317-324）

該工作得到了美國國家強磁場實驗室傅日強教授、武漢理工大學劉金平教授（共同通訊）、廈門大學王鳴生教授以及上海交通大學段華南教授的支持和幫助。論文第一作者是楊勇教授課題組博士研究生左文華，2016級本科生邱際民、2017級博士研究生劉湘思等參與實驗部分，DFT計算由課題組能源學院的博士研究生任福成完成。該研究工作得到了國家自然科學基金（21761132030、21935009、51972257）和國家重點研發項目（2018YFB0905400、2016YFB0901502、2016YFA0202602）及拔尖人才計劃（J1310024）等課題的資助。

來源：廈門大學

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17290-6

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