新材料學(xué)院與中科院化學(xué)所共同設(shè)計(jì)并合成高性能鈉電池材料
? ?新材料學(xué)院2019年9月26日訊，我院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在研究工作中取得最新進(jìn)展。 ?
? ?鋰離子電池已經(jīng)成功并廣泛應(yīng)用與手機(jī)、電腦和電動(dòng)車上。大規(guī)模的電動(dòng)車動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池應(yīng)用需要資源豐富和成本低的原料，鈉比鋰的儲(chǔ)量在地球更豐富因而成本更低，因此發(fā)展高容量高穩(wěn)定鈉離子電池是當(dāng)前能源科技研發(fā)的前沿。鈉離子層狀氧化物正極材料以其優(yōu)越的離子電導(dǎo)率、高比容量和更廉價(jià)的原料成本正在成為鋰離子正極材料的有力替代者。然而，由于鈉離子的半徑大其層狀插層材料在電化學(xué)循環(huán)過程中，容易受到因過渡金屬層相對(duì)滑動(dòng)引起的不可逆相變，導(dǎo)致該類正極材料始終存在循環(huán)穩(wěn)定性欠佳的問題。北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒課題組與中科院化學(xué)所郭玉國(guó)課題組合作，運(yùn)用材料基因組學(xué)的共同設(shè)計(jì)并合成了基于過渡金屬d-軌道構(gòu)成“無(wú)機(jī)類苯環(huán)”功能結(jié)構(gòu)基元的具有超高穩(wěn)定性的新型鈉離子電池正極材料NaNi2/3Sb1/3O2，該成果以“An Ordered Ni6-Ring Superstructure Enables a Highly Stable Sodium Oxide Cathode”為題于近日發(fā)表在新材料領(lǐng)域知名期刊Advanced Materials (doi.org/10.1002/adma.201903483，IF=25.809)上。
圖1. NaNi2/3Sb1/3O2正極材料的“類苯環(huán)”結(jié)構(gòu)基元及其中的Ni-O-Ni超交換作用
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? ?新材料學(xué)院潘鋒團(tuán)隊(duì)在新材料的設(shè)計(jì)階段時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種具有高穩(wěn)定性的鈉電池材料的結(jié)構(gòu)是由一種六邊形的結(jié)構(gòu)基元構(gòu)成的。這種六邊形的結(jié)構(gòu)基元是以一個(gè)SbO6八面體為中心，周邊排布六個(gè)NiO6八面體，且六個(gè)Ni離子排布成以Sb離子為中心的六邊形結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)Ni-O-Ni 結(jié)構(gòu)形成的90度超交換作用在晶體結(jié)構(gòu)中連接起來(lái)，形成一個(gè)由過渡金屬d-軌道構(gòu)成“無(wú)機(jī)類苯環(huán)芳香性”結(jié)構(gòu)，由此給這種Na 電池材料提供了額外的穩(wěn)定性。此外，該電池在充放電過程中的相變結(jié)構(gòu)也被計(jì)算準(zhǔn)確找到，為此類材料的相變和穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ)。
? ?能夠發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)該種材料并非偶然，此前潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在研究錳酸鎳鋰（LiNi0.5Mn0.5O2）材料中率先提出鋰電池層狀材料存在“無(wú)機(jī)類苯環(huán)芳香性”結(jié)構(gòu)基元(J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9893-9898)。該研究從剖析結(jié)構(gòu)基元的方式發(fā)現(xiàn)了電子交換作用和電子離域/局域化在過渡金屬排序現(xiàn)象起到的關(guān)鍵作用，基于過渡金屬自旋電子交換作用和電子局域/離域模型，發(fā)現(xiàn)了六個(gè)錳離子形成的六元環(huán)通過Mn4+直接交換形成的離域基團(tuán)具有“無(wú)機(jī)類苯環(huán)”芳香性。這些研究為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能的儲(chǔ)能與動(dòng)力電池材料提供結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)。
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? ?該兩項(xiàng)研究成果由潘鋒老師指導(dǎo)，由博士生翁謀毅和胡宗祥分別完成。該系列工作得到了國(guó)家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等項(xiàng)目的大力支持。
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文章鏈接：https://onlinelibrary_wiley.gg363.site/doi/abs/10.1002/adma.201903483
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