新材料學院與中科院化學所共同設計并合成高性能鈉電池材料
? ?新材料學院2019年9月26日訊，我院潘鋒教授團隊在研究工作中取得最新進展。 ?
? ?鋰離子電池已經成功并廣泛應用與手機、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。北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒課題組與中科院化學所郭玉國課題組合作，運用材料基因組學的共同設計并合成了基于過渡金屬d-軌道構成“無機類苯環(huán)”功能結構基元的具有超高穩(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)表在新材料領域知名期刊Advanced Materials (doi.org/10.1002/adma.201903483，IF=25.809)上。
圖1. NaNi2/3Sb1/3O2正極材料的“類苯環(huán)”結構基元及其中的Ni-O-Ni超交換作用
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? ?新材料學院潘鋒團隊在新材料的設計階段時發(fā)現(xiàn)，這種具有高穩(wěn)定性的鈉電池材料的結構是由一種六邊形的結構基元構成的。這種六邊形的結構基元是以一個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構。通過結構化學和量子化學計算發(fā)現(xiàn)Ni-O-Ni 結構形成的90度超交換作用在晶體結構中連接起來，形成一個由過渡金屬d-軌道構成“無機類苯環(huán)芳香性”結構，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構也被計算準確找到，為此類材料的相變和穩(wěn)定性提供了理論基礎。
? ?能夠發(fā)現(xiàn)并設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”結構基元(J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9893-9898)。該研究從剖析結構基元的方式發(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計和開發(fā)高性能的儲能與動力電池材料提供結構化學的基礎。
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? ?該兩項研究成果由潘鋒老師指導，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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文章鏈接：https://onlinelibrary_wiley.gg363.site/doi/abs/10.1002/adma.201903483
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