多价金属离子在NASICON结构化合物中的存储及机理研究

With the rapid development of technology, the classic lithium-ion battery system, graphite/transition metal oxides, has been gradually approaching the limits of its energy density. Developing new systems with higher energy density becomes more and more urgent. Although lithium anode exhibit high gravimetric and volumetric energy density, commercialization of batteries with lithium anode suffers from safety hazard, while zinc, magnesium, aluminum and other multivalent metal anode which have high volume capacities are also one of the options for the next generation of high-energy batteries. The project based on early results is looking for new materials with NASICON structure that can store multivalent metal ions such as Zn2+, Mg2+, Al3+. Combining experimental data and theoretical calculations, the NASICON type compounds would be evaluated as cathode material for multi-electron metal batteries. The relationship of the composition, structure and electrochemical behavior would be investigated. Implementation of the project is of important directive significance to the development of multivalent metal anode batteries.

随着科技的快速发展，人们对电池的要求越来越高，经典的石墨/过渡金属氧化物锂离子电池体系已经渐渐接近其能量密度的极限值，开发具有更高能量密度的新体系也显得越来越迫切。金属锂负极具有很高的质量和体积比能量，但锂负极仍然被安全问题所困扰，而锌、镁、铝等多价金属负极都具有更高的体积比容量，是下一代高能量电池的选择之一。本项目拟在前期工作基础上，以发现可以用于存储多价金属离子的新型材料为目标，以NASICON结构化合物为主线，基于Zn2+、Mg2+、Al3+等离子在该类化合物中的存储这一关键科学问题，结合实验和理论计算，评价该类化合物作为多价金属负极电池的正极材料的适配性，揭示其组成、结构和电化学行为之间的联系规律。项目的实施对多价金属负极电池的发展具有重要的理论指导意义。

随着科技的快速发展，人们对电池的要求越来越高，经典的石墨/过渡金属氧化物锂离子电池体系已经渐渐接近其能量密度的极限值，开发具有更高能量密度的新体系也显得越来越迫切。金属锂负极具有很高的质量和体积比能量，但锂负极仍然被安全问题所困扰，而锌、镁、铝等多价金属负极都具有更高的体积比容量，是下一代高能量电池的选择之一。我们发现具有NASICON结构的化合物Na3V2(PO4)3作为锌离子电池正极材料，具有良好的电化学性能；其骨架结构NaV2(PO4)3除了储存Zn2+离子以外，也可以储存Mg2+、Ni2+等离子。此外，Li3V2(PO4)3也具有储存Zn2+离子的能力。另外一种NASICON结构化合物Na3V2(PO4)2F3在有碳存在时，在高温下并不稳定，会分解为Na3V2(PO4)3和其它化合物，但却是性能优异的正极材料。该项目的实施开发了多种用于存储多价金属离子的新型材料，对多价金属离子电池的发展具有重要的理论指导意义。