近期，來自中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心、荷蘭代爾夫特理工大學及法國波爾多大學的科研人員組成的研究團隊提出了一種簡單的預(yù)測鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法，并在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設(shè)計和制備提供了理論指導(dǎo)。日前，該團隊撰寫的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在《Science》期刊上發(fā)表。據(jù)中科院物理所微信公眾號，這是我國學者首次在《Science》發(fā)表有關(guān)鈉離子電池正極材料研究成果。

近年來，隨著全球化學電池市場的快速發(fā)展和人們對環(huán)境問題的日益重視，二次電池(又稱可充電電池或蓄電池)這種能實現(xiàn)電能與化學能轉(zhuǎn)化的新型儲能技術(shù)，在新一輪能源變革中受到廣泛關(guān)注。其中，鋰離子電池雖然已成為占據(jù)全球電化學儲能規(guī)模市場80%份額的“絕對一哥”，但由于其資源的稀缺性和較高昂成本，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨“天花板”，而資源儲量豐富、成本低廉的鈉離子電池，便成為了極佳的補充。然而，鈉離子電池的性能卻受到可用電極材料的限制，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。

自1980年以來，鋰離子層狀氧化物都是鋰離子電池的主要正極材料，其堆積構(gòu)型為O型(Octahedral，八面體)。與之相比，鈉離子層狀氧化物(NaxMO2)卻具有O和P(Prismatic，三棱柱)兩種構(gòu)型，其中最常見的兩種結(jié)構(gòu)分別為O3和P2(數(shù)字代表氧最少重復(fù)單元的堆垛層數(shù))。這兩種結(jié)構(gòu)的層狀氧化物作為鈉離子電池的正極材料時各有優(yōu)勢，但目前的技術(shù)手段僅可實現(xiàn)對合成出的材料進行物理表征以確定具體構(gòu)型，無法直接預(yù)測材料的堆積結(jié)構(gòu)，這嚴重阻礙了層狀氧化物正極材料的性能設(shè)計和新型正極材料的發(fā)現(xiàn)。

一般而言，O3相正極材料具有較高的初始Na含量，能夠脫出更多的鈉離子，具有較高的容量，適用于低速電動車、大規(guī)模儲能領(lǐng)域;P2相正極材料具有較大的Na層間距，能夠提升鈉離子的傳輸速率和保持層狀結(jié)構(gòu)的完整性，具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在充電樁、調(diào)頻、數(shù)據(jù)中心等快充場景應(yīng)用更具優(yōu)勢。在實際工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)中，如果能提前設(shè)計材料構(gòu)型，便能精準適配和打造最優(yōu)結(jié)構(gòu)的鈉離子電池化學體系，大大提高研發(fā)效率。

由中科院物理所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長胡勇勝帶領(lǐng)的研究團隊是全球最早關(guān)注該領(lǐng)域研究的團隊之一。2016年，中國科學院物理研究所博士戚興國(現(xiàn)中科海鈉材料部經(jīng)理)創(chuàng)新性地引入等效半徑(等效半徑即加權(quán)半徑，是將過渡金屬的半徑乘以該過渡金屬的含量)的概念來預(yù)測堆疊機構(gòu)，為該課題研究首開思路。

后續(xù)研究時，胡勇勝團隊在總結(jié)不同系列層狀氧化物結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程中發(fā)現(xiàn)：O3和P2兩種結(jié)構(gòu)材料的Na層間距(d(O-Na-O))和M層間距(d(O-M-O))的比值有一個臨界值1.62，比值高于1.62通常形成P2相，低于1.62易形成O3相。通過提高鈉含量可獲得O3相;反之，降低鈉含量可獲得P2相。

基于此，本次工作研究人員引入“陽離子勢”，來表示陽離子電子密度及其極化率的程度，捕捉層狀材料的關(guān)鍵相互作用，使預(yù)測堆積結(jié)構(gòu)成為可能。通過合理設(shè)計和制備具有改良性能的層狀電極材料，證明了堆疊結(jié)構(gòu)決定材料的特性，為堿金屬層狀氧化物的設(shè)計提供了有效解決方案。

業(yè)內(nèi)專家表示，該研究揭示了鈉離子層狀氧化物中O3型結(jié)構(gòu)和P2型結(jié)構(gòu)之間的競爭關(guān)系，提出了一種簡單的預(yù)測堆疊結(jié)構(gòu)的方法，優(yōu)化了鈉離子電池的制造環(huán)節(jié)，為進一步提高鈉離子電池體系儲能特性提供了精準指導(dǎo)。

胡勇勝作為本工作的主要研究成員之一，擁有十數(shù)年鈉離子電池領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗，且為該項技術(shù)的商業(yè)成果轉(zhuǎn)化提供了豐富的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)思路和應(yīng)用平臺。其創(chuàng)立的中科海鈉成立僅三年，便已實現(xiàn)了鈉離子電池的大規(guī)模量產(chǎn)，月產(chǎn)能突破30萬只，并擁有數(shù)十項鈉離子電池材料組成、結(jié)構(gòu)、制造和應(yīng)用的核心專利。

胡勇勝表示，過去幾年里，中科院物理研究所和中科海鈉團隊，就鈉離子層狀氧化物兩種構(gòu)型形成的影響因素展開了大量實驗研究，并積極探索其在鈉離子電池應(yīng)用中的場景落地。作為專注于新一代儲能體系鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，今后希望能同更多行業(yè)內(nèi)研究機構(gòu)及企業(yè)展開交流合作，以市場需求倒推產(chǎn)品開發(fā)，推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。(實習記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 鈉離子電池