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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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[交流]
研究人員在鈉電領(lǐng)域獲新進(jìn)展
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鋰離子電池具有高能量密度和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車。然而，鋰礦資源具有稀缺性且長(zhǎng)期受地緣政治影響，造成其市場(chǎng)波動(dòng)較大，不利于推動(dòng)能源設(shè)備的改革。 因此，人們開(kāi)始考慮將鈉離子電池作為鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要補(bǔ)充。鈉離子層狀氧化物是目前最受矚目的鈉電正極材料。然而，高空氣敏感性問(wèn)題限制了鈉離子層狀氧化物正極材料的成本優(yōu)勢(shì)。與空氣接觸時(shí)，鈉離子層狀氧化物表面會(huì)迅速反應(yīng)形成雜質(zhì)，使部分鈉失去電化學(xué)活性。此外，這些雜質(zhì)在電池工作過(guò)程中可能會(huì)分解產(chǎn)氣從而引發(fā)安全危機(jī)。 近日，北京大學(xué)深圳研究生院的科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧德時(shí)代21C實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上發(fā)表最新研究成果。 他們利用密度泛函理論計(jì)算和ab-initio分子動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)地研究了空氣分子與NaMn1/3Fe1/3Ni1/3O2（NMFNO）層狀正極材料表面的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并解釋了鈉離子層狀氧化物的空氣穩(wěn)定性普遍比鋰離子層狀氧化物差的原因。 該研究指出，MFNO空氣穩(wěn)定性差的原因包括非活性表面的占比低、強(qiáng)表面吸附性和高表面反應(yīng)活性、表面鈉離子的不穩(wěn)定性。其中，高表面反應(yīng)性源于表面氧活性位點(diǎn)的電子損失和未配對(duì)電子增加，以及強(qiáng)金屬共活化作用。 雖然表面氧活性位點(diǎn)和金屬活化對(duì)雜質(zhì)的形成是必不可少的，但作者發(fā)現(xiàn)水解反應(yīng)和碳酸鹽的形成，對(duì)反應(yīng)環(huán)境的要求并不完全相同。水解反應(yīng)需要表面氧活性位點(diǎn)具有較高反應(yīng)活性，因此，作者采用具有空軌道的高價(jià)過(guò)渡金屬或者陰離子取代以降低其反應(yīng)活性。 在碳酸鹽形成過(guò)程中，碳雜化模式的轉(zhuǎn)變主要依賴于金屬活化作用，甚至不需要表面氧活性位點(diǎn)的參與，于是作者構(gòu)建了缺鈉的表面構(gòu)型以削弱金屬活化作用。此外，晶粒形貌調(diào)控以減少反應(yīng)活性表面也是抑制空氣敏感性的可行策略。作者強(qiáng)調(diào)，這些策略可以組合使用以提高改進(jìn)效果。 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c05255 |
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