大連化物所研制出高面載量低彎曲度指狀孔鈉離子電池電極

近期，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒、副研究員鄭瓊帶領(lǐng)的研究團隊在鈉離子電池超高面載量電極研究方面取得新進展。

鈉離子電池具有資源豐富、成本低、安全性高等優(yōu)點，在中低速電動車、電動自行車、用戶側(cè)儲能、大規(guī)模儲能等領(lǐng)域具有良好的應用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，但由于鈉離子具有較大的相對原子質(zhì)量及粒子半徑，且其在電極中嵌入與脫嵌動力學差，使得鈉離子電池較鋰離子電池比能量和比功率偏低。開發(fā)高面容量電極是提高電池比能量的有效方法之一。對于傳統(tǒng)的刮涂法制備的電極，電極組分的隨意堆疊將形成高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)。隨著電極厚度的增加，高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)將大幅增加離子傳輸路徑，增加鈉離子在電極內(nèi)部的擴散阻力，使得離子傳輸成為電化學反應的限速步驟，導致電池比功率較低。

研究團隊基于非溶劑誘導相轉(zhuǎn)化方法，調(diào)控成膜熱力學和動力學過程，制備出一種具有低彎曲度指狀孔的超高面容量（60 mg/cm²，4.0 mAh/cm²）磷酸釩鈉基電極結(jié)構(gòu)。在低彎曲度指狀孔電極內(nèi)，一方面，鈉離子首先沿著指狀孔在電極厚度方向遷移（比在多孔介質(zhì)中的遷移速度高出幾個數(shù)量級），隨后發(fā)生離子橫向擴散，離子輸運路徑明顯縮短；另一方面，由于鈉離子的有效離子擴散速率與彎曲度成反比，使得低彎曲度指狀孔內(nèi)可實現(xiàn)更快的鈉離子傳輸，進而有效促進了鈉離子擴散動力學。此外，研究團隊將多物理場耦合的有限元模擬分析首次應用于鈉離子電池電極結(jié)構(gòu)設計及其內(nèi)部的電荷傳遞動力學過程研究，獲得了不同彎曲度多孔電極內(nèi)反應物濃度、電流密度、極化等的時間和空間分布特性。結(jié)果顯示，得益于快速的鈉離子擴散動力學，低彎曲度多孔電極內(nèi)的電化學反應更均勻，鈉離子傳輸更快，進而驗證了低彎曲度指狀孔電極，特別是高面容量電極在大電流運行工況下電池比功率優(yōu)勢。該研究為高比能量、高比功率鈉離子電池設計開發(fā)提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。

近年來，該團隊致力于釩基正極/硬碳負極鈉離子電池體系研究，針對正負極電極和電解液中存在的電子電導率低、離子擴散動力學慢、界面穩(wěn)定性差等關(guān)鍵科學問題，開展了系列研究工作（Nano Energy，2018；ACS Energy letter，2019；J. Mater. Chem. A，2020；ACS Appl. Mater. Interfaces，2020）；通過關(guān)鍵材料及電芯制備工藝的創(chuàng)新與優(yōu)化，開發(fā)出5.2 Ah磷酸釩鈉/硬碳基鈉離子電池電芯，其比能量超過115 Wh/kg，5C容量保持率＞81%，0.33C循環(huán)近1000次容量保持率＞90%。上述進展有利于推進鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進程。