其相關(guān)研究成果先后被電化學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal (化學(xué)工程)、能源材料類著名學(xué)術(shù)期刊ACS Applied Energy Materials (美國化學(xué)學(xué)會應(yīng)用能源材料)，以及材料化學(xué)類著名學(xué)術(shù)期刊ACS Applied Materials& Interfaces(美國化學(xué)學(xué)會應(yīng)用能源材料與界面)接受發(fā)表。第一作者分別為原子能院李正耀副研究員、郭浩博士。孫凱研究員和陳東風(fēng)研究員為三篇文章的通訊作者。
鈉離子電池具有成本低、安全性好、可快充等特點(diǎn)，能夠在能源的結(jié)構(gòu)性改善、儲存輸運(yùn)和應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，助推碳達(dá)峰與碳中和等戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而，目前制約鈉離子電池層狀金屬氧化物正極材料推廣應(yīng)用的巨大障礙，主要在于在充放電過程中其結(jié)構(gòu)相變復(fù)雜、鈉離子/空位有序等導(dǎo)致其倍率和長循環(huán)穩(wěn)定性能差，而正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性正是解決上述現(xiàn)象發(fā)生的一個關(guān)鍵因素。因此，尋找性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鈉離子電池正極材料成為當(dāng)前的研發(fā)熱點(diǎn)。
與其他類型的正極材料相比，3d過渡金屬層狀氧化物是公認(rèn)適合做鈉離子電池正極材料的物質(zhì)。但由于3d過渡金屬層狀氧化物含鈉、氧、鋰等輕元素，同時又有鐵、鎳、錳等近鄰元素，X射線等常規(guī)結(jié)構(gòu)分析手段難以分辨，更無法精確測定其位置和含量。而中子對鋰、鈉和氧等輕元素靈敏，可以區(qū)分原子序數(shù)相近的過渡金屬元素，具有深穿透性，可以開展不同模擬工況下的原位測試，因此中子在鈉/鋰離子電池研發(fā)中具有獨(dú)一無二且無可替代的技術(shù)優(yōu)勢。
原子能院團(tuán)隊(duì)建立了從材料設(shè)計(jì)制備、電池組裝到測試分析的全流程研發(fā)工作站，并依托自主研發(fā)的高分辨中子粉末衍射儀，開展了一系列重要工作。研究首先從材料的組分設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控展開，摒棄了層狀氧化物研發(fā)過程的反復(fù)嘗試法，依據(jù)化學(xué)元素的功能特性，提出一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路，使其結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期要求，大幅提升其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)還利用中子粉末衍射等技術(shù)精確測定其晶體結(jié)構(gòu)，并通過原位電池衍射技術(shù)，從微觀結(jié)構(gòu)演變角度解釋了其宏觀性能提升的本質(zhì)原因，為高性能鈉離子電池層狀氧化物正極的設(shè)計(jì)提供明確指導(dǎo)。
其次，為進(jìn)一步研究摻雜對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響作用，經(jīng)模擬設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)制備出了與本體材料具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，并且?guī)缀跸嗤拟c離子層空間和金屬層空間尺寸的材料，從而在不破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，有效提高了其平均工作電壓、倍率及循環(huán)穩(wěn)定性能。此外，考慮到鋰離子性能優(yōu)異，團(tuán)隊(duì)將其少量摻入到鈉離子電池正極材料中，在不明顯增加成本的前提下，實(shí)現(xiàn)了材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，極大增強(qiáng)了電化學(xué)性能的預(yù)期目標(biāo)。
上述研究結(jié)果不僅為高性能層狀氧化物正極材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供新思路，也表明中子衍射技術(shù)能夠?yàn)殁c離子電池材料研發(fā)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，中國先進(jìn)研究堆中子科學(xué)平臺未來將在鈉/鋰離子電池、儲氫和高熵合金等材料研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動相關(guān)卡脖子問題的解決。(物理所 文/李正耀)
