中國原子能院在鈉離子電池領域取得新進展

近日，原子能院核物理研究所中子散射研究室設計出一種用于鈉離子電池，兼具高容量、優(yōu)異循環(huán)和快充性能的正極材料。該研究成果申請發(fā)明專利1項，并發(fā)表于能源材料國際期刊《ACS Applied Energy Materials（ACS應用能源材料）》，文章第一作者為高健翔研究實習員，通訊作者為郭浩副研究員、孫凱研究員和陳東風研究員。

為助力國家能源消費結構改善，促進太陽能、風能等清潔能源的高效利用，發(fā)展低成本、高性能的鈉離子電池至關重要，而鈉離子電池研發(fā)的關鍵是高性能層狀氧化物。P2型層狀氧化物具有便捷的鈉離子傳輸路徑，適合應用于快充鈉離子電池中。目前常用的P2型二元鎳錳材料（NM）存在一定缺陷，在充電到高電壓時會發(fā)生復雜的結構相變和較大的體積變化，導致循環(huán)和快充性能差。

為解決NM材料存在的缺陷，項目團隊研究人員綜合考慮元素的功能特性與成本因素，選取了鎳、銅、鐵、錳、鈦五種元素，創(chuàng)新性地合成了一種具有優(yōu)異快充性能，并同時兼具優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性與高容量的P2型五元材料（NCFMT）。經研究證實，該材料在5分鐘快充條件下容量保持率高達62%，在2C（放電倍率）條件下進行1000周循環(huán)后容量保持率達到89%，循環(huán)性能在所有已公開報道的材料中達最優(yōu)。該材料同時具有120mAh/g的比容量。研究人員還利用中子衍射等手段研究了其在充放電過程中的微觀結構演變，發(fā)現(xiàn)材料始終保持單相P2型結構，僅有約1%的體積應變，從微觀結構演變角度解釋了宏觀性能提升的原因，為后續(xù)鈉離子電池的中試提供了重要材料基礎。

NCFMT材料與NM材料在充放電過程中的結構演變及循環(huán)容量圖對比

該工作得到了國家自然科學基金委-青年基金的資助，研發(fā)過程中使用的中子束流由中國先進研究堆（CARR）提供。未來，項目團隊將繼續(xù)利用CARR中子科學平臺，開展鈉離子電池的中試和充放電機理研究。

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