鈉離子電池論文首次在《Science》發(fā)表

11月6日，由中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長胡勇勝研究員主導(dǎo)撰寫的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界頂級學(xué)術(shù)刊物《Science》上發(fā)表。該研究提出了一種簡單的預(yù)測鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法，并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(shè)計和制備提供了理論指導(dǎo)。據(jù)悉，這是《Science》創(chuàng)刊百余年來首次刊登鈉離子電池領(lǐng)域相關(guān)文章，不僅表明了國際主流科學(xué)界對該技術(shù)突破的重視，也佐證了我國鈉離子電池前沿技術(shù)已比肩國際最頂尖水平。該研究參與人還包括中國科學(xué)院物理研究所陸雅翔副研究員，法國波爾多大學(xué)Claude Delmas教授和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Marnix Wagemaker教授（共同通訊作者）等。

發(fā)展背景

近年來，隨著全球化學(xué)電池市場的快速發(fā)展和人們對環(huán)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(xiàn)電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)化的新型儲能技術(shù)，在新一輪能源變革中受到廣泛關(guān)注。其中，鋰離子電池雖然已成為占據(jù)全球電化學(xué)儲能規(guī)模市場80份額的“絕對一哥”，但由于其資源的稀缺性和較高昂成本，產(chǎn)業(yè)發(fā)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(gòu)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，三棱柱）兩種構(gòu)型，其中最常見的兩種結(jié)構(gòu)分別為O3和P2（數(shù)字代表氧最少重復(fù)單元的堆垛層數(shù)）。這兩種結(jié)構(gòu)的層狀氧化物作為鈉離子電池的正極材料時各有優(yōu)勢，但目前的技術(shù)手段僅可實現(xiàn)對合成出的材料進行物理表征以確定具體構(gòu)型，無法直接預(yù)測材料的堆積結(jié)構(gòu)，這嚴重阻礙了層狀氧化物正極材料的性能設(shè)計和新型正極材料的發(fā)現(xiàn)。

科研動態(tài)

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，適用于低速電動車、大規(guī)模儲能領(lǐng)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(jié)構(gòu)的完整性，具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在充電樁、調(diào)頻、數(shù)據(jù)中心等快充場景應(yīng)用更具優(yōu)勢。在實際工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)中，如果能提前設(shè)計材料構(gòu)型，便能精準(zhǔn)適配和打造最優(yōu)結(jié)構(gòu)的鈉離子電池化學(xué)體系，大大提高研發(fā)效率。

由胡勇勝帶領(lǐng)的中科院物理所和中科海鈉研究團隊是全球最早關(guān)注該領(lǐng)域研究的團隊之一。2016年，中國科學(xué)院物理研究所博士戚興國（現(xiàn)中科海鈉材料部經(jīng)理）創(chuàng)新性地引入等效半徑（等效半徑即加權(quán)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(yù)測堆疊機構(gòu)，為該課題研究首開思路。

后續(xù)研究時，胡勇勝團隊在總結(jié)不同系列層狀氧化物結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程中發(fā)現(xiàn)：O3和P2兩種結(jié)構(gòu)材料的Na層間距（dO-Na-O）和M層間距（dO-M-O）的比值有一個臨界值1.62，比值高于1.62通常形成P2相，低于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。

陽離子電位及其在鈉離子層狀氧化物中的應(yīng)用（數(shù)據(jù)來源）

基于此，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(guān)鍵相互作用，使預(yù)測堆積結(jié)構(gòu)成為可能。通過合理設(shè)計和制備具有改良性能的層狀電極材料，證明了堆疊結(jié)構(gòu)決定材料的特性，為堿金屬層狀氧化物的設(shè)計提供了有效解決方案。

業(yè)內(nèi)專家表示，該研究揭示了鈉離子層狀氧化物中O3型結(jié)構(gòu)和P2型結(jié)構(gòu)之間的競爭關(guān)系，提出了一種簡單的預(yù)測堆疊結(jié)構(gòu)的方法，優(yōu)化了鈉離子電池的制造環(huán)節(jié)，為進一步提高鈉離子電池體系儲能特性提供了精準(zhǔn)指導(dǎo)。

產(chǎn)業(yè)化進展

中科院物理所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長胡勇勝研究員作為本工作的主要研究成員之一，擁有十?dāng)?shù)年鈉離子電池領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗，且為該項技術(shù)的商業(yè)成果轉(zhuǎn)化提供了豐富的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)思路和應(yīng)用平臺。其創(chuàng)立的中科海鈉成立僅三年，便已實現(xiàn)了鈉離子電池的大規(guī)模量產(chǎn)，月產(chǎn)能突破30萬只，并擁有數(shù)十項鈉離子電池材料組成、結(jié)構(gòu)、制造和應(yīng)用的核心專利。

關(guān)于此次的研究成果在《Science》上發(fā)表，胡勇勝研究員表示，過去幾年里，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(gòu)型形成的影響因素展開了大量實驗研究，并積極探索其在鈉離子電池應(yīng)用中的場景落地。作為專注于新一代儲能體系鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，中科海鈉希望能同更多行業(yè)內(nèi)研究機構(gòu)及企業(yè)展開交流合作，以市場需求倒推產(chǎn)品開發(fā)，推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用！