高性能钠离子电池正极材料的结构设计，合成和电化学反应机理的研究

Sodium is the 4th most abundant element in the earth crust with unlimited resources. Its chemical properties are similar to lithium, which can be used in rechargeable batteries. Sodium-ion batteries have many advantages such as low cost and high safety. Therefore, sodium-ion batteries have significant potentials for large-scale energy storage, which have been intensively investigated world wide. In this proposed research, a series of high performance cathode materials will be investigated for high performance sodium-ion batteries. The insertion/extraction of sodium ions in the electrode materials’ crystal structures, and reduction/oxidation processes will be studied by the density function theory, which can provide the guidance for the selection and experimental investigation of electrode materials. We will mainly focus on the layered transition metal oxides and polyanion compounds as cathode materials for sodium-ion batteries. Furthermore, we will also explore the influence of the morphology of electrode materials on the performances of sodium-ion batteries. It is expected to identify the relationship between the exposed crystal planes of electrode materials and the sodium ion insertion/extraction. We aim to prepare faceted nanocrystals with exposed tunnel structures for facile sodium ion intercalation and de-intercalation for the improvement of electrochemical performances of sodium-ion batteries.

钠是地球上储量较丰富的元素之一，与锂的化学性能类似，因此也可用于二次电池体系。钠离子电池具有安全性能好、价格低廉等优点，在大型储能领域有广阔应用前景。成为当前化学电源研究热点和重点。本项目拟对钠离子电池电极正极材料展开详细深入研究，利用密度泛函理论研究钠离子在电极材料中的嵌入与脱出过程，以及氧化还原作用机理进行分析，以指导实验中合适电极材料的选择。研究主要针对层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物正极材料，涉及到电极材料形貌和结构对钠离子电池性能的影响，建立纳米电极材料晶面与钠离子嵌入与脱出过程的关系。制备出暴露具有钠离子扩散通道晶面的电极材料，以提高材料的电化学性能。

随着储能技术的发展以及应大规模储能的要求，钠离子电池成为储能领域的新兴热点，并被认为是可替代锂离子电池运用在纯电动汽车以及储能电站上的理想选择。正极材料作为钠离子电池的关键组成部分，其电化学性能决定着钠离子电池的整体性能。目前制约钠离子电池正极材料的主要问题有比容量不高、制备工艺复杂、大电流充放电性能差以及安全性能不高等。为了克服以上问题，电极材料微观结构的控制至关重要。我们通过控制合成工艺制备了具有不同形貌和晶体结构的过度金属氧化物、聚阴离子化合物及普鲁士蓝类似物。结果表明，将电极材料与具有良好导电性能的材料复合可以显著提高整体材料的电化学性能，高导电性的材料形成良好的导电网络，缩短了电子的传输距离。其次，减小电极材料的微观尺寸可以缩短离子扩散路径，显著提高电极材料的倍率性能。最后，具有大比表面积、特殊微观结构及丰富孔道结构的电极材料展现出了极为优异的性能，一方面大的比表面积增加材料的活性位点，缩短了离子扩散路径。另一方面孔道结构对材料的体积变化起到缓冲作用，显著地提高了材料的循环稳定性。本报告通过理论计算指导制备不同形貌、尺寸的电极材料，尝试构建微观形貌、晶体结构与材料电化学性能的科学关系，为钠离子电池正极材料的设计和应用提供参考。