Advanced Functional Materials:P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的分等级微纳结构设计助力高性能钠离子电池正极

能源紧缺和环境污染问题是目前人类社会可持续发展所面临的最大挑战,清洁能源例如风能、太阳能、潮汐能的开发和利用受到自然条件限制,因此高效储能系统作为新能源的存储媒介显得尤为重要。钠离子电池凭借资源丰富,价格低廉等优势,被认为是下一代大规模储能技术的一个理想候选。尽管钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似,但钠离子相比锂离子大且重,制约了快速充放电能力;此外,储钠过程容易造成电极材料较大的体积变化,影响电池的循环稳定性;再者,钠的电位相比锂更高,会降低电池的工作电压和能量密度。开发能够高效、快速、稳定储钠的高比能电极材料非常关键。

在目前已知的钠离子电池正极材料中,层状过渡金属氧化物凭借二维离子传输通道和高理论比容量,展现出巨大潜力,但循环过程中容易发生相变和结构坍塌限制其实际应用。P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2是最经典的层状金属氧化物之一,该材料具有很好的空气稳定性和高达173 mAh g-1的理论比容量,因此得到了众多研究者的关注。然而在脱钠量超过1/3的时候,将发生P2-O2的相变,导致容量极具衰减;循环过程中Na+/空位的有序化和较大的体积变化也将降低材料的循环稳定性。因此,迫切需要通过有效途径对该材料进行改性以提高其电化学性能。

北京科技大学新材料技术研究院刘永畅副教授,范丽珍教授,以及河北大学张宁副教授等研究人员利用静电纺丝技术合成了一种由纳米颗粒组装的P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2多孔纳米纤维储钠正极材料,所得纳米颗粒尺寸细小(20-90 nm),纳米纤维完整性良好,分布均匀。相比块体材料,纳米颗粒高的比表面积暴露丰富活性位点,储钠容量得到显著提升;纳米纤维相互联结形成三维网络骨架促进了钠离子的快速迁移(0.1和20 C下可逆容量分别为166.7和73.4 mAh g-1),同时增强了材料的结构稳定性(500次循环后的容量保持率约为81%)。通过原位XRD和非原位XPS揭示了该材料在充放电过程中高度可逆的结构演变和Ni/Mn价态变化;利用GITT、不同扫速CV和DFT理论计算等系统地证明了该材料具有较高的钠离子扩散系数和较低的离子迁移能垒。此外,将P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2纳米纤维正极与硬碳负极匹配,合理地构建了软包钠离子全电池,展现出高能量密度和长循环寿命的应用前景。相关论文在线发表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201907837)上。

由细小纳米粒子构筑多孔纳米纤维骨架结构的设计理念为提升层状过渡金属氧化物正极材料的储钠性能提供了一种新的、普适性的策略。