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原子能院提出钠离子电池混合相正极材料设计新思路

2024-01-15 13:56     来源:中国原子能科学研究院     核物理
钠离子电池性能的提升和应用,有助于太阳能等清洁能源的高效利用,而高性能的正极材料对钠离子电池来说至关重要。近日,原子能院核物理研究所中子散射研究室在钠离子电池研发方面取得新进展,提出了一种高效可行的钠离子电池混合相正极材料的设计思路,合成的正极材料均展现出优异的电化学性能。该研究成果申请发明专利1项,并发表于国际学术期刊《ACS Applied Energy Materials》(《美国化学会应用能源材料》)。文章第一作者为核物理研究所硕士研究生胡旭峰,通讯作者为郭浩副研究员、孙凯研究员和陈东风研究员。

当前正极材料广泛使用单相P2型和单相O3型材料,但是在高电压时结构不稳定,难以同时兼顾超高比容量和优异的循环寿命。研发P2/O3混合相材料,可以通过两相的协同效应缓解或抑制高电压时的结构相变,从而提升材料的电化学性能。然而,目前的研究大多通过元素替代、温度调控与微结构设计等方法,逐步实现混合相材料的组分设计和性能提升,这是一逐步优化的“试错”模式,效率极低。

高性能混合相正极材料的设计思路

针对目前混合相正极材料研发效率低的问题,研究团队提出了一种新的设计思路:选取两种电化学性能优异的O3型与P2型材料,并将两种材料的化学式作为初始值;随后以不同的摩尔比例混合两个化学式,得到新的元素组成;然后通过高温固相法,合成出不同的混合相材料。

团队采用此方法设计合成出4种混合相正极材料,均拥有优异的综合性能。相比于单相P2型和单相O3型材料,混合相材料的最高比容量提升了25%,并且具有优异的循环寿命和快充性能。利用中子衍射等手段,研究团队精确测定了混合相材料中P2相与O3相的结构和相比例,发现4种混合相材料在充电到高电压时,发生的相转变都是高度可逆的,因此具有高结构稳定性和优异的电化学性能。

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