近日，原子能院核物理研究所中子散射團(tuán)隊(duì)基于中國先進(jìn)研究堆高分辨粉末中子衍射譜儀，通過引入錳離子空位，首次實(shí)現(xiàn)了材料由無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為有序結(jié)構(gòu)，設(shè)計出大電流、長穩(wěn)定性能的正極材料。材料呈現(xiàn)出良好的大電流充放電能力，在12分鐘快充快放條件下，可釋放超過80%的放電容量，以及1000次充放電后依然可達(dá)72%的容量保持率。在充放電過程中，該材料未發(fā)生相變，屬于全固溶機(jī)理、零應(yīng)變特征的高性能材料。
該研究結(jié)果發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《Energy Storage Materials》 (《能源存儲材料》)，影響因子為18.9，文章第一作者為原子能院李正耀研究員，通訊作者為原子能院孫凱研究員、陳東風(fēng)研究員及上海大學(xué)寧芳華博士。
層狀過渡金屬氧化物材料因具有理論容量高、離子電導(dǎo)率高及合成簡單等優(yōu)勢，是具有廣泛應(yīng)用前景的正極材料之一。但緩慢的鈉離子擴(kuò)散動力學(xué)、高電壓下不可逆的有害相變導(dǎo)致的巨大應(yīng)變及體積變化等問題，嚴(yán)重制約著電池性能的進(jìn)一步提升。
原子能院中子散射團(tuán)隊(duì)借助中國先進(jìn)研究堆高分辨粉末中子衍射譜儀，發(fā)現(xiàn)鎳/鋰/空位與錳離子在過渡金屬中形成了一種蜂窩狀有序結(jié)構(gòu)，有效調(diào)控了局域晶體結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)首次提出一個概念——“約化尺寸”，合理解釋了局域晶體結(jié)構(gòu)變化及其對性能的影響。 理論計算進(jìn)一步表明，材料極佳的性能來源于增強(qiáng)的鈉離子擴(kuò)散動力學(xué)，以及形成有序結(jié)構(gòu)降低了帶隙寬度，為后續(xù)研發(fā)高性能層狀正極材料提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。
材料的蜂窩狀有序結(jié)構(gòu)、長循環(huán)穩(wěn)定性能及結(jié)構(gòu)演化與零應(yīng)變特征
我國高度重視鈉離子電池的研發(fā)應(yīng)用。2022年，鈉離子電池被列入《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》;2023年，工業(yè)和信息化部等六部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確加強(qiáng)新型儲能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)。此次成果的取得，是中國先進(jìn)研究堆自2023年正式對外開放應(yīng)用以來的重要進(jìn)展之一。中國先進(jìn)研究堆中子科學(xué)平臺擁有15臺中子科學(xué)譜儀，性能指標(biāo)整體達(dá)國際先進(jìn)水平、部分達(dá)國際領(lǐng)先水平，可開展中子散射、中子成像、中子活化分析、材料輻照、核素生產(chǎn)等多種研究，已服務(wù)于國內(nèi)外百余家單位用戶的實(shí)驗(yàn)課題研究，取得一系列重要科研成果。
