基础研究|深圳先进院研制有多离子设计策略的高性能Na+全电池

广东基础研究 · 公众号 · · 2018-10-19 15:02

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近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究员及其研究团队通过设计思路创新，成功研发出一种具有多离子设计策略的高性能钠离子全电池。相关研究成果 “A Multi-Ion Strategy towards Rechargeable Sodium-Ion Full Batteries with High Working Voltage and Rate Capability” (多离子设计策略的高电压、高倍率钠离子全电池)在线发表于国际顶级化学期刊 Angewandte Chemie International Edition 。

在碱金属元素中，钠具有储量丰富、价格低廉等优势。因此，钠离子电池在大规模储能等领域具有广阔的应用前景。然而，钠的标准电极电势 (-2.71 V vs.SHE) 高于锂 (-3.04 V vs.SHE) ，导致钠离子电池具有较低的工作电压。此外由于钠离子半径较大 (Na: 0.98埃 vs. Li: 0.69埃），使得其传输动力学较差，并且易导致较大的电极材料膨胀，从而限制了钠离子电池的倍率和循环性能。

基于上述考虑，唐永炳研究员及其团队成员蒋春磊博士、方月等人成功研发出一种多离子设计策略 (Na+/Li+/PF6-) 的新型钠离子全电池。其中正极材料为膨胀石墨，负极采用可以同时与Na和Li发生合金化反应的金属材料，并进行集流体/活性材料一体化设计，同时采用多离子设计的 Na+/Li+/PF6- 有机电解液。这种多离子设计策略具有两大优势：一方面，利用阴离子 (PF6-) 插层石墨具有高电势的特点，显著提升了钠离子电池的工作电压；另一方面，多离子设计策略可有效提升电池的反应动力学，并降低金属负极在合金化过程中的体积膨胀，从而大幅改善了倍率性能和循环寿命。研究结果表明，这种策略设计的钠离子电池具有高达 ~4.0V 的工作电压；同时获得了高达 30C(2min充放电) 的倍率性能和500圈(容量保持率95%，5C倍率)的循环寿命。该研究成果为提升钠离子电池电化学性能提供了新的解决思路。