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原子能院利用中子衍射技术在钠离子电池材料研发中取得显著进展

2021-07-19 17:13          中子衍射 X射线
近日,原子能院“中核集团中子散射应用技术重点实验室”依托中国先进研究堆(CARR)中子科学平台,在钠离子电池材料研发中取得显著进展。该团队结合当前研发热点,发现3d过渡金属层状氧化物作为钠离子正极材料具有良好的结构稳定性,通过元素掺杂可进一步增强材料结构稳定性,调控其性能,改善钠离子电池的循环寿命。

其相关研究成果先后被电化学领域著名学术期刊Chemical Engineering Journal (化学工程)、能源材料类著名学术期刊ACS Applied Energy Materials (美国化学学会应用能源材料),以及材料化学类著名学术期刊ACS Applied Materials& Interfaces(美国化学学会应用能源材料与界面)接受发表。第一作者分别为原子能院李正耀副研究员、郭浩博士。孙凯研究员和陈东风研究员为三篇文章的通讯作者。

钠离子电池具有成本低、安全性好、可快充等特点,能够在能源的结构性改善、储存输运和应用中发挥重要作用,助推碳达峰与碳中和等战略目标的实现。然而,目前制约钠离子电池层状金属氧化物正极材料推广应用的巨大障碍,主要在于在充放电过程中其结构相变复杂、钠离子/空位有序等导致其倍率和长循环稳定性能差,而正极材料的结构稳定性正是解决上述现象发生的一个关键因素。因此,寻找性能优异、结构稳定的钠离子电池正极材料成为当前的研发热点。

与其他类型的正极材料相比,3d过渡金属层状氧化物是公认适合做钠离子电池正极材料的物质。但由于3d过渡金属层状氧化物含钠、氧、锂等轻元素,同时又有铁、镍、锰等近邻元素,X射线等常规结构分析手段难以分辨,更无法精确测定其位置和含量。而中子对锂、钠和氧等轻元素灵敏,可以区分原子序数相近的过渡金属元素,具有深穿透性,可以开展不同模拟工况下的原位测试,因此中子在钠/锂离子电池研发中具有独一无二且无可替代的技术优势。

原子能院团队建立了从材料设计制备、电池组装到测试分析的全流程研发工作站,并依托自主研发的高分辨中子粉末衍射仪,开展了一系列重要工作。研究首先从材料的组分设计和结构调控展开,摒弃了层状氧化物研发过程的反复尝试法,依据化学元素的功能特性,提出一种切实可行的设计思路,使其结构达到预期要求,大幅提升其结构稳定性。团队还利用中子粉末衍射等技术精确测定其晶体结构,并通过原位电池衍射技术,从微观结构演变角度解释了其宏观性能提升的本质原因,为高性能钠离子电池层状氧化物正极的设计提供明确指导。

其次,为进一步研究掺杂对材料结构和性能的影响作用,经模拟设计,团队制备出了与本体材料具有相同的晶体结构,并且几乎相同的钠离子层空间和金属层空间尺寸的材料,从而在不破坏结构稳定性的前提下,有效提高了其平均工作电压、倍率及循环稳定性能。此外,考虑到锂离子性能优异,团队将其少量掺入到钠离子电池正极材料中,在不明显增加成本的前提下,实现了材料结构的优化,极大增强了电化学性能的预期目标。

上述研究结果不仅为高性能层状氧化物正极材料的设计和优化提供新思路,也表明中子衍射技术能够为钠离子电池材料研发提供关键数据和技术支撑,中国先进研究堆中子科学平台未来将在钠/锂离子电池、储氢和高熵合金等材料研究领域发挥重要作用,推动相关卡脖子问题的解决。(物理所 文/李正耀)


利用中子粉末衍射等技术精确测定其晶体结构


基于中子衍射数据重建的晶体结构


基于中子衍射数据重建的晶体结构

中国核能高质量发展大会

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