后鋰時代：鈉離子電池或成為大規(guī)模儲能最佳選擇
新一輪能源革命已經到來，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電與規(guī)模儲能是實現(xiàn)產業(yè)轉型和經濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵。我國新能源產業(yè)在近幾年爆發(fā)式增長，但是由于風能、太陽能等新能源具有隨機性和不確定性等缺點，在大規(guī)模接入電網的過程中會給電網的穩(wěn)定性帶來隱患。電化學儲能具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點，其中鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和高工作電壓，是現(xiàn)今重要儲能設備之一。但是由于鋰資源短缺導致鋰成本增加，面向大規(guī)模儲能應用受到較大影響。鈉離子電池作為二次電池體系中的新星，其具有鈉資源豐富、價格低廉等特點，結合其功率密度、能量密度、生產成本等諸多因素，鈉離子電池的總體優(yōu)勢有望使其成為未來大規(guī)模儲能系統(tǒng)應用發(fā)展的最佳選擇。
圖1 鈉離子電池大規(guī)模儲能應用及關鍵材料組成
鈉離子電池中正負極材料和電解質是最重要的組成部分，同時也決定了其電化學性能的優(yōu)劣。目前研究的正極材料包括層狀金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍以及有機正極材料等，負極材料包括轉化類型、合金類型和碳材料等，電解質包括固體電解質、有機、水系等多種類型，不同電解質體系需要匹配不同的正負極材料。
近日，材料類頂級國際期刊《Advanced Functional Materials》（《先進功能材料》，影響因子16.836）報道了北京理工大學材料學院陳人杰教授和謝嫚副教授的鈉離子電池課題組在鈉離子電池負極方面的研究進展，相關研究成果以“Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage”為題在線發(fā)表。江穎博士為第一作者，謝嫚副教授、陳人杰教授為共同通訊作者。
圖2 Fe2VO4@CMK-3復合物合成過程
與單金屬氧化物相比，雙金屬氧化物在堿金屬離子存儲中表現(xiàn)出更高的電子/離子導電性和電化學活性。其中Fe2VO4具有原材料豐富、高的理論比容量等優(yōu)點，在鈉離子負極材料中得到廣泛關注。然而，F(xiàn)e2VO4顆粒很容易團聚，在循環(huán)過程中結構破壞嚴重，最終導致容量迅速衰減?；诖藛栴}，采用水熱和后續(xù)煅燒的方法制備了Fe2VO4@CMK-3復合材料。該材料集成了多重優(yōu)勢：有序介孔結構的CMK-3作為碳支架，顯著提高導電性；散落在CMK-3表面的Fe2VO4暴露出更多的活性位點；納米復合結構在循環(huán)過程中提供充足的體積膨脹緩沖空間。因此，應用于鈉離子電池負極材料時，F(xiàn)e2VO4@CMK-3復合物實現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)性能。同時，F(xiàn)e2VO4@CMK-3復合材料表現(xiàn)出高的贗電容貢獻率（掃速為1.0 mV s?1，電容貢獻為89.1%），促進了高倍率性能的實現(xiàn)。另外，與NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正極材料匹配，構建得到的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2//Fe2VO4@CMK-3全電池表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能：在0.5 A g?1條件下循環(huán)500圈容量保持率為81%。該研究為鈉離子電池負極材料的研究以及納米復合結構材料的構建提供了一種新思路。
圖3 Fe2VO4@CMK-3全電池匹配及電化學性能
文獻鏈接： Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage. ?Adv. Funct. Mater. 2021, 2009756. https://doi.org/10.1002/adfm.202009756
在吳鋒院士的指導下和國家重點研發(fā)計劃項目（高安全、長壽命和低成本鈉基儲能電池的基礎科學問題研究，2016YFB0901500）的支持下，鈉離子電池課題組在鈉離子電池關鍵材料領域開展了系統(tǒng)的研究工作。近三年來，在正極材料方面：通過優(yōu)化合成工藝、結構設計調控、精確離子交換等方法合成了多種不同形貌高品質普魯士藍、錳基P2相正極等材料；在負極材料方面：采用結構調控手段、異質結構設計和動力學優(yōu)化等多種設計方法合成了反應速率快、界面穩(wěn)定、體積膨脹小的負極材料；團隊多次參加大學生材料創(chuàng)新大賽、世紀杯、挑戰(zhàn)杯以及中國互聯(lián)網+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等比賽，獲得第六屆中國國際“互聯(lián)網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家金獎1項，2020年北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊一等獎等多個獎項。
近期相關工作如下：
1、《鈉離子電池先進技術及應用》（謝嫚等著，電子工業(yè)出版社，2020，書號：ISBN 978-7-121-39913-8）。
2、Adv. Mater., 2020, 32, 2003534, https://doi.org/10.1002/adma.202003534, 一作：黃永鑫博士（通過構建含有1T和2H混合相得到三維 MoSSe@rGO結構，提升鈉離子存儲動力學）。
3、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 23939?23950, https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c04481, 一作：羅銳博士（將銳鈦礦TiO2封裝進三維石墨烯氣凝膠中，改善了TiO2電化學性能）。
4、Energy Storage Mater., 2019, 22, 376-383, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.02.015，一作：周佳輝博士（以超輕多孔的石墨烯氣凝膠作為金屬鈉的骨架，構建了高負載的復合鈉金屬負極，從而實現(xiàn)金屬鈉負極的穩(wěn)定循環(huán)）。
5、J Power Sources, 2019, 436, 226868, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.226868，一作：王紫恒博士（采用離子交換法合成了大比表面積核-殼結構普魯士藍材料，提升了結構穩(wěn)定性和界面兼容性）。
6、Nano Energy, 2019, 60, 294–304, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.058, 一作：黃永鑫博士（通過Kirkendall效應合成FeOOH納米棒結構，改善了電化學性能，匹配普魯士藍正極材料，具有應用前景）。
7、ChemElectroChem, 2019, 6, 2423–2429, https://doi.org/10.1002/celc.201900101, 一作：李帥杰碩士（通過引入離子液體合成離子液體凝膠聚合物電解質，并采用聚多巴胺包覆提升潤濕性和相容性，得到高安全性、寬電化學窗口和高離子導電率電解質）。
8、Adv. Mater., 2019, 31, 1808393， https://doi.org/10.1002/adma.201808393，一作：黃永鑫博士（綜述了鈉離子電池電解質及電極/電解液界面的研究進展，對不同電極材料與電解液體系的匹配提出優(yōu)化原則）。
9、ChemElectroChem, 2019, 6, 1400–1406, https://doi.org/10.1002/celc.201801704, 一作：趙露滋碩士（構建了多孔VO2納米球裹入石墨烯結構，揭示贗電容存儲機制，為釩氧化物在鈉離子電池中的應用提供新的思路）。
10、J Mater Chem A, 2019, 7, 1315-1322， https://doi.org/10.1039/C8TA11419F，一作：江穎博士（通過一步水熱方法合成三維VO2/MXene混合結構，提升VO2在鈉離子電池中的循環(huán)穩(wěn)定性）。
11、Nano Energy, 2018, 53, 524–535, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.09.010, 一作：黃永鑫博士（用簡單水熱法制備分層多孔Co0.85Se納米片結構，提升了電子/離子傳輸能力，采用第一性原理對鈉離子的擴散能壘進行了分析）。
12、Adv. Sci., 2018, 5, 1800613, https://doi.org/10.1002/advs.201800613, 一作：黃永鑫博士（在Sb2S3中引入In2S3，通過優(yōu)化晶體結構實現(xiàn)材料電化學性能和鈉儲存特性的提升）。
13、Small, 2018, 14, 1801246, https://doi.org/10.1002/smll.201801246, 一作：黃永鑫博士（通過化學沉淀法合成中空-核-殼結構普魯士藍材料，有效緩解體積膨脹并實現(xiàn)界面特性的優(yōu)化）。
14、J. Power Sources, 2018, 383, 80–86, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.053, 一作：羅銳博士（通過固相反應合成六角片狀P2相錳基金屬氧化物正極，揭示準固相反應機制，實現(xiàn)長壽命鈉離子電池循環(huán)）。
15、Energy Storage Mater, 2018, 11, 100–111, http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2017.10.004, 一作：黃永鑫博士（通過引入Ti合成Ti0.25Sn0.75S2，并與多壁碳納米管結合，緩解體積膨脹并提升導電率，有效提高鈉離子電池的穩(wěn)定循環(huán)性）。
16、Nano Energy, 2017, 39, 273–283, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.005, 一作：黃永鑫博士（通過緩蝕劑的加入和溫度的控制，得到富邊界結構普魯士藍材料，改善電極材料與電解液的界面相容性，有效增加鈉離子傳輸路徑）。
作者簡介：
江穎，北京理工大學材料科學與工程專業(yè)2019級博士研究生，導師為吳鋒院士；主要研究方向為鈉離子電池電極材料。在Advanced Functional Materials，Journal of Materials Chemistry A等期刊上發(fā)表SCI論文2篇。作為項目負責人參加第六屆互聯(lián)網+大賽，并獲得北京市二等獎，多次參加挑戰(zhàn)杯、世紀杯等項目比賽。
謝嫚，副教授，主要從事新能源技術和綠色二次電池的開發(fā)與應用研究。重點研究方向為鋰離子電池、鈉離子電池、水系電池新體系的開發(fā)及關鍵材料的研究。目前作為項目負責人承擔國家重點研發(fā)計劃項目“高安全、長壽命、低成本鈉基儲能電池的基礎科學問題研究”1項，作為骨干研究成員參與國家“973”計劃項目、國家“863”計劃項目等重大研究項目多項。獲省部級科學技術一等獎1項。在Advanced Science, Nano Energy, Small等國際期刊上累計發(fā)表學術論文40余篇，出版學術專著1部。獲授權國家發(fā)明專利近10項。曾入選北京市、鎮(zhèn)江市科技人才創(chuàng)業(yè)計劃，獲得政府資金和政策支持。作為指導教師帶領學生參加科技創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)大賽，獲國家金獎1項、北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊一等獎等多項省部級獎項。
陳人杰，教授、博導，國家部委能源專業(yè)組委員、中國材料研究學會理事（能源轉換與存儲材料分會秘書長）、中國固態(tài)離子學會理事、國際電化學能源科學院（IAOEES）理事、中國化工學會化工新材料專業(yè)委員會委員、中國電池工業(yè)協(xié)會全國電池行業(yè)專家。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能復合電解質材料、特種電源用新型薄膜材料與結構器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學和科研工作。主持承擔了國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、“863”計劃項目、中央在京高校重大成果轉化項目、北京市科技計劃項目等課題。在Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、National Science Reviews、Advanced Materials、Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊發(fā)表SCI論文200余篇；申請發(fā)明專利96項，獲授權42項；獲批軟件著作權10項，出版學術專著2部（《先進電池功能電解質材料》，科學出版社，2020年，書號：ISBN 978-7-03-060719-5；《多電子高比能鋰硫二次電池》，科學出版社，2020年，書號：ISBN 978-7-03-060718-8）。獲得國家技術發(fā)明二等獎1項、部級科學技術一等獎4項。入選教育部長江學者特聘教授、北京高等學校卓越青年科學家、中國工程前沿杰出青年學者、英國皇家化學學會會士、科睿唯安2020“全球高被引科學家”。
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