鈉基過渡金屬氧化物作為儲鈉正極材料的研究

《鈉基過渡金屬氧化物作為儲鈉正極材料的研究》是依託武漢大學，由曹余良擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鈉基過渡金屬氧化物作為儲鈉正極材料的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曹余良
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

無資源限制的鈉離子電池體系可能替代鋰離子電池成為大規模儲能有力競爭者。但相對鋰離子，較大的鈉離子更難以在材料結構中可逆脫嵌和遷移，造成極大的結構不穩定和擴散動力學限制。因此，必須發展適合鈉離子脫嵌的新材料體系和相應的合成方法，這對於決定鈉離子電池比能量的正極材料來說，尤為重要。本課題主要針對鈉基過渡金屬氧化物材料（Mn，Fe類），深入研究材料組成影響其結構的規律，以及對其嵌鈉電化學反應性能的影響關係，優選適合嵌鈉的組成和結構，並探討不同納米合成技術製備的特定納米形貌對嵌鈉反應動力學的影響，充分認識材料結構、形貌與電化學性能的內在規律性；並通過摻雜和表面改性技術，研究所涉及的套用基礎問題，進一步提升材料的電化學性能。本課題的特色在於通過對鈉基過渡金屬氧化物材料結構及其電化學性能的系統研究，認識鈉離子脫嵌動力學的特殊性，為構建鈉離子可逆脫嵌和快速擴散的新結構開闢新體系。

結題摘要

具有資源優勢的鈉離子電池作為大規模儲能體系的研究受到廣泛關注，而氧化物材料是鈉離子電池正極的重要體系。本課題重點以高性能氧化物正極材料為目標，旨在解決氧化物體系對鈉離子脫嵌難、結構不穩定和擴散動力學慢等問題，發展了高結構穩定的摻雜或取代P2和O3Na-Ni-Mn-Fe-O體系，並研究了其結構穩定性的原因：摻雜或取代元素有利於抑制O3相向P3’的不可逆相變，發生O3相向OP2的可逆相變。這一結果表明可以從結構設計方面來提供材料的循環穩定性，為實用材料的發展提供可行方案；同時設計合成出一種具有“惰性-活性”支撐的蜂窩狀氧化物結構，這種材料具有高的結構穩定性，容量可達117mAh/g，30C仍具有77%的容量保持率；針對鈉離子電池可能更差的安全性，我們研究了氧化物正極材料在不燃磷酸酯電解液中的電化學性能，發現氧化物正極材料在TMP中也具有高的循環穩定性，這為發展高安全的鈉離子電池體系提供了創新途徑。 本課題到目前為止已發表SCI論文15篇，申請專利3項，完成課題目標要求。雖然本課題從結構、新材料設計及安全套用方面做了一些工作，圓滿完成課題任務目標，但在深入的結構表征和解析上仍有更多工作需要進行，如原子級別高分辨的結構解析能夠給我們更多相變信息，而一些現場電化學技術（如XRD，拉曼等）也能夠提供原位結構特徵，能夠幫助更深地理解材料性能提升的內在因素,這將成為進一步研究的重點。