钠基过渡金属氧化物作为储钠正极材料的研究

Sodium ion battery without resource constraints may be a strong competitor for large energy storage applications alternative to lithium ion battery. In comparison with lithium ion, larger sodium ion in radii is hard to intercalate/deintercalate reversibly and migrate in crystal structure, so as to cause immense unstability and diffusion limitation in kinetics. It is very necessary to develop new cathode materials for sodium ion intercalation and relative synthesis technologies, which depend on the energy density of sodium ion battery. This item intends to study the preparation and electrochemical properties of Na-based transition metal oxides (Mn, Fe-typy) as cathode material for Na-ion batteries. Through the regulation in structure, component and synthesis methods, the effects of these factors on the electrochemical performance can be investigated. Additionally, based on the doping and surface-modified technologies, the electrochemical properties of the materials can be expected to be further enhanced. The characteristic of the item is as follow. The systematic studies on the structure and electrochemical performance of Na-based transition metal oxides, can understand the particularity of the sodium ion in the intercalation kinetics, so as to develop novel material system for the reversible intercalation and fast diffusion of sodium ion.

无资源限制的钠离子电池体系可能替代锂离子电池成为大规模储能有力竞争者。但相对锂离子，较大的钠离子更难以在材料结构中可逆脱嵌和迁移，造成极大的结构不稳定和扩散动力学限制。因此，必须发展适合钠离子脱嵌的新材料体系和相应的合成方法，这对于决定钠离子电池比能量的正极材料来说，尤为重要。本课题主要针对钠基过渡金属氧化物材料（Mn，Fe类），深入研究材料组成影响其结构的规律，以及对其嵌钠电化学反应性能的影响关系，优选适合嵌钠的组成和结构，并探讨不同纳米合成技术制备的特定纳米形貌对嵌钠反应动力学的影响，充分认识材料结构、形貌与电化学性能的内在规律性；并通过掺杂和表面改性技术，研究所涉及的应用基础问题，进一步提升材料的电化学性能。本课题的特色在于通过对钠基过渡金属氧化物材料结构及其电化学性能的系统研究，认识钠离子脱嵌动力学的特殊性，为构建钠离子可逆脱嵌和快速扩散的新结构开辟新体系。

具有资源优势的钠离子电池作为大规模储能体系的研究受到广泛关注，而氧化物材料是钠离子电池正极的重要体系。本课题重点以高性能氧化物正极材料为目标，旨在解决氧化物体系对钠离子脱嵌难、结构不稳定和扩散动力学慢等问题，发展了高结构稳定的掺杂或取代P2和O3Na-Ni-Mn-Fe-O体系，并研究了其结构稳定性的原因：掺杂或取代元素有利于抑制O3相向P3’的不可逆相变，发生O3相向OP2的可逆相变。这一结果表明可以从结构设计方面来提供材料的循环稳定性，为实用材料的发展提供可行方案；同时设计合成出一种具有“惰性-活性”支撑的蜂窝状氧化物结构，这种材料具有高的结构稳定性，容量可达117mAh/g，30C仍具有77%的容量保持率；针对钠离子电池可能更差的安全性，我们研究了氧化物正极材料在不燃磷酸酯电解液中的电化学性能，发现氧化物正极材料在TMP中也具有高的循环稳定性，这为发展高安全的钠离子电池体系提供了创新途径。.本课题到目前为止已发表SCI论文15篇，申请专利3项，完成课题目标要求。虽然本课题从结构、新材料设计及安全应用方面做了一些工作，圆满完成课题任务目标，但在深入的结构表征和解析上仍有更多工作需要进行，如原子级别高分辨的结构解析能够给我们更多相变信息，而一些现场电化学技术（如XRD，拉曼等）也能够提供原位结构特征，能够帮助更深地理解材料性能提升的内在因素,这将成为进一步研究的重点。