隨著二次電池市場的大規(guī)模增長和鋰資源的大量消耗,人們開始尋求鋰電池的替代品。由于鈉資源豐富,價格低廉,分布廣泛,鈉離子電池逐漸成為儲能領(lǐng)域研究的熱點之一。由于Na/Na+的標(biāo)準(zhǔn)電勢-2.71 V與Li/Li+的標(biāo)準(zhǔn)電勢-3.04 V接近,且二者的電池工作原理類似,因此科研人員可借鑒鋰離子電池中的研發(fā)經(jīng)驗應(yīng)用于鈉離子電池。然而,鈉離子較大的離子半徑(Na+: 1.02 A vs Li+: 0.76 A)和較慢的動力學(xué)速率,使商用的鋰離子電池負極材料——石墨在作為鈉離子電池負極時不能提供令人滿意的性能,因此開發(fā)具有新型結(jié)構(gòu)的鈉離子電池負極材料顯得尤為重要。
近日,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究課題組與北京大學(xué)、浙江大學(xué)合作,在晶體結(jié)構(gòu)的功能導(dǎo)向性設(shè)計與新型儲能材料制備方面取得新進展。該團隊基于“結(jié)構(gòu)功能區(qū)”的設(shè)計理念,制備出一種新型負極材料Na2Cu2.09O0.50S2,并獲得優(yōu)異的鈉離子存儲性能。Na2Cu2.09O0.50S2具有準(zhǔn)一維晶體結(jié)構(gòu),其中[Cu4S4]鏈作為電子傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元,使得樣品導(dǎo)電率高達0.5 S/cm;Na4[CuO]鏈作為離子傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元,形成鈉離子快速傳導(dǎo)的通道。研究團隊進一步通過球磨降低其晶粒尺寸,最終實現(xiàn)了高比容量(在0.2 A/g時為588 mAh/g)、優(yōu)異的倍率性能(在2 A/g時為408 mAh/g)與良好的循環(huán)性能(400個循環(huán)后容量保持率為82%)?；凇敖Y(jié)構(gòu)功能區(qū)”的設(shè)計思路可為設(shè)計與制備新型電極材料提供新的可能。相關(guān)研究成果以Boosting the Stable Na Storage Performance in 1D Oxysulfide 為題發(fā)表于國際期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Materials 2019,DOI: 10.1002/aenm.201900170),上海硅酸鹽所與浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生徐吉健為第一作者,研究員黃富強為通訊作者。
上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院、上海市科委等的資助。
結(jié)構(gòu)功能區(qū)示意圖與Na2Cu2.09O0.50S2負極材料的鈉離子電池性能
