近日，廈門(mén)大學(xué)、三達(dá)膜、福州大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)在Chemical Engineering Journal（CEJ）發(fā)表科研論文，報(bào)道了鈉離子電池正極材料方面取得的重要進(jìn)展。

這項(xiàng)研究面向電池技術(shù)方向，聚焦低成本、資源友好的鈉離子電池。該團(tuán)隊(duì)提出Li/Cu雙摻雜協(xié)同調(diào)控策略，使Fe/Mn基正極材料在容量、能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面實(shí)現(xiàn)同步提升。這也為破解電池“低成本、高能量密度、高安全性”難以兼顧的“不可能三角”提供了新的思路。

01 鈉離子電池技術(shù)難點(diǎn)

隨著新能源并網(wǎng)、電動(dòng)交通和電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能快速發(fā)展，人們需要更安全、更低成本、資源更豐富的電池體系。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但在大規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)景中，資源儲(chǔ)量和成本同樣重要。

鈉在地球上儲(chǔ)量豐富、分布廣泛，與鋰具有相近的電化學(xué)性質(zhì)。因此，鈉離子電池被認(rèn)為是鋰離子電池的重要補(bǔ)充，尤其適合面向大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用探索。

但難點(diǎn)在于，鈉離子比鋰離子“個(gè)頭”更大。它在電池正極材料中反復(fù)嵌入嵌出時(shí)，更容易造成材料結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而影響電池容量、壽命和充放電速度。

Fe/Mn基層狀氧化物正極材料具有成本低、環(huán)境友好、理論容量高等優(yōu)勢(shì)，但也存在工作電壓偏低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是材料既要“裝得多”，又要“站得穩(wěn)”，這并不容易。

02藍(lán)偉光團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展

研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種協(xié)同調(diào)控思路：在Fe/Mn基正極材料中同時(shí)引入少量Li和Cu?？梢园阉斫鉃榻o材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)同時(shí)做“微調(diào)”，讓材料在充放電過(guò)程中更穩(wěn)定，也讓更多容量來(lái)自較高電壓區(qū)域。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，團(tuán)隊(duì)獲得了Li/Cu共摻雜正極材料LCFM。表征結(jié)果顯示，這種材料形成了緊密共生的P2/O3雙相結(jié)構(gòu)，有助于兼顧容量輸出和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖：陰極材料結(jié)構(gòu)與形貌表征圖。

在半電池測(cè)試中，LCFM正極表現(xiàn)出突出的綜合性能：首圈可逆容量達(dá)到171.0·mAh·g-1，能量密度達(dá)到502.7·Wh·kg-1；在1C倍率下循環(huán)200圈后，仍保持75.6%的容量保持率。

為了進(jìn)一步接近實(shí)際應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)還組裝了LCFM||硬碳全電池。該全電池在0.1C下可逆容量達(dá)到136.5·mAh·g-1；在1C倍率下循環(huán)200圈后，容量保持率為71.2%。這些結(jié)果表明了該材料在實(shí)驗(yàn)室半電池中表現(xiàn)良好。

圖：LCFM||硬碳全電池構(gòu)型及電化學(xué)性能圖（驗(yàn)室數(shù)據(jù)，不代表產(chǎn)業(yè)化性能）

03 研究進(jìn)展的意義

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位XRD、X射線(xiàn)吸收光譜、XPS和理論計(jì)算等方法分析發(fā)現(xiàn)，Li/Cu共摻雜帶來(lái)了多方面作用：一方面，它能減少由Mn相關(guān)反應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形；另一方面，它增強(qiáng)了高電壓區(qū)的Fe相關(guān)反應(yīng)，并促進(jìn)晶格氧可逆參與儲(chǔ)能。

用更通俗的話(huà)說(shuō)，這種策略讓材料在充放電時(shí)“少受傷”，同時(shí)讓更多能量在較高電壓下釋放出來(lái)，因此容量、能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性都得到了改善。

這項(xiàng)工作為低成本鈉離子電池正極材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。Fe、Mn、Na等元素資源豐富、成本友好，隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟，這類(lèi)基于地球豐量元素的正極材料有望服務(wù)于未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)景，并為能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)提供更多技術(shù)選擇。