中國粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池已經(jīng)成功并廣泛應(yīng)用與手機、電腦和電動車上。大規(guī)模的電動車動力電池和儲能電池應(yīng)用需要資源豐富和成本低的原料，鈉比鋰的儲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滑動引起的不可逆相變，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)所郭玉國課題組合作，運用材料基因組學(xué)的共同設(shè)計并合成了基于過渡金屬d-軌道構(gòu)成“無機類苯環(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。

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

新材料學(xué)院潘鋒團隊在新材料的設(shè)計階段時發(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SbO6八面體為中心，周邊排布六個NiO6八面體，且六個Ni離子排布成以Sb離子為中心的六邊形結(jié)構(gòu)。研究者通過結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)計算發(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，形成一個由過渡金屬d-軌道構(gòu)成“無機類苯環(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)也被計算準確找到，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)計該種材料并非偶然，此前潘鋒教授團隊在研究錳酸鎳鋰（LiNi0.5Mn0.5O2）材料中率先提出鋰電池層狀材料存在“無機類苯環(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)了六個錳離子形成的六元環(huán)通過Mn4+直接交換形成的離域基團具有“無機類苯環(huán)”芳香性。這些研究為進一步設(shè)計和開發(fā)高性能的儲能與動力電池材料提供結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)。

該兩項研究成果由潘鋒指導(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家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。

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