新型鈉電池正極材料實現十萬次超長循環壽命
近年來，鈉離子電池憑借其原材料資源儲備豐富、提取成本較低、自主可控等優勢，正加速從實驗室邁向產業化，有望與鋰離子電池在儲能領域形成互補，展現出了巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。
近日，中國科學院院士、南方科技大學機械與能源工程系講席教授趙天壽，副研究員韓美勝，副教授曾林團隊提出了一種集成聚陰離子和層狀氧化物的復合正極用于鈉離子電池，實現了十萬圈循環壽命，容量保持率達72.6%，為長壽命、低成本鈉離子電池設計策略帶來新思路。相關成果發表在國際能源頂尖期刊《能源與環境科學》上。
研究示意圖 南科大供圖
突破長循環壽命極限
鋰離子電池憑借其高能量密度、長循環壽命和成本持續降低的優勢，被廣泛應用于電動汽車、儲能系統等新能源領域。然而，鋰資源短缺的問題制約了其發展，進一步促使研究人員和產業界探索替代技術。
鈉資源豐富，成本低，且與鋰同族，化學性質相似，有望成為鋰的有力補充。此外，研究發現鈉離子電池在低溫性能、安全性方面優勢突出，其性能特征和市場前景已被市場充分認知，被認為是最有潛力的新型儲能電池之一。然而，傳統鈉離子電池正極材料存在明顯短板，聚陰離子型化合物穩定性高但容量低，層狀氧化物容量高卻易受空氣和水汽侵蝕，且循環穩定性差。
在該研究中，該團隊設計了一種嵌入多孔碳框架的聚陰離子-層狀氧化物復合正極，該正極由富鈉聚陰離子化合物和層狀氧化物組成原位共生雙相異質結構，經過優化后顯著提升了鈉離子存儲性能。
研究團隊創新性地將聚陰離子型化合物和層狀氧化物結合，通過鐵摻雜降低磷酸釩鈉的帶隙，激活釩元素的氧化還原反應，提升導電性和比容量；同時引入多孔碳骨架，增強電子傳導并緩沖體積膨脹。此外，低應變的層狀氧化物相作為“穩定劑”，有效緩解充放電過程中的結構應力。
論文第一作者、南科大機械與能源工程系碩士生鄒支宇介紹，該復合正極在0.1C倍率下可逆容量達130mAh/g，100C高倍率的電流密度下，循環十萬次后容量保持率為72.6%，遠超當前聚陰離子型正極的壽命極限,比絕大多數的報道高出一個數量級。團隊還成功制備出安時級軟包電池，能量密度達153.4Wh/kg，循環壽命超500次，為后續工程化驗證奠定基礎。
鈉電產業迎來廣闊發展機遇
當前，全球范圍內,鈉電池市場規模正呈現快速增長態勢。根據《2024中國鈉離子電池報告》數據顯示，當前，鈉離子電池在全球范圍內已實現了小規模生產以及特定場景的示范應用，2023年全球市場規模達3.2億美元，預計到2030年將接近10億美元。
近年來，我國高度重視鈉離子電池的研發應用。2022年，鈉離子電池被列入《“十四五”能源領域科技創新規劃》；2023年，工信部等六部門聯合發布《關于推動能源電子產業發展的指導意見》，明確加強新型儲能電池產業化技術攻關。
“從電池全生命周期來看，長壽命正極材料有望進一步推動鈉離子電池在儲能領域的應用和發展。”論文第一通訊作者、南科大副研究員韓美勝介紹，研究團隊通過將鈉離子電池正極的兩個主要體系-聚陰離子和層狀氧化物正極橋接起來，表明集成正極中的協同效應可以推動高能量密度、快速充電和長循環壽命正極的開發，并拓寬了未來正極研究的組成空間。
這種長壽命、低成本的鈉離子電池正極設計策略展現了其在未來大規模儲能系統中的廣泛應用前景。
”盡管鈉資源儲量是鋰的千倍，但與鋰電池相比其產業鏈尚未成熟，研發時間較短。目前鈉離子電池大規模商業化的核心挑戰在于成本高、能量密度低以及循環壽命短。”韓美勝表示，當前鈉離子電池硬碳負極容量低、首效低、循環壽命相對較短以及電解液成本高等制約了鈉電池的產業應用，推動鈉離子電池的發展需要多線并進。目前研究團隊正在積極探索適配這款長壽命正極的負極材料和電解液體系，以完善長壽命鈉離子電池研發體系。未來，隨著技術迭代與政策支持，鈉離子電池有望成為大規模儲能的主力軍，助力我國實現“雙碳”目標與能源安全戰略。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D4EE05110F
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