3月31日，記者從湘潭大學(xué)獲悉，該校化學(xué)學(xué)院劉黎教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合南京航空航天大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，從晶體學(xué)對(duì)稱(chēng)性出發(fā)，提出了一種極具突破性的“面外對(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)”結(jié)構(gòu)，為高性能鈉離子電池正極材料的設(shè)計(jì)提供了新范式。相關(guān)成果日前發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。成果為鈉離子電池由實(shí)驗(yàn)室研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了重要的技術(shù)參考。

鈉資源的豐富性，使鈉離子電池成為了大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)高效儲(chǔ)能中極具前景的選擇。不過(guò)，鈉離子電池在充放電過(guò)程中面臨著復(fù)雜的相變和嚴(yán)重的電壓滯后問(wèn)題，極大限制了其實(shí)際能量密度和循環(huán)壽命。傳統(tǒng)的改性策略多集中在對(duì)層狀氧化物材料面內(nèi)的金屬離子摻雜或無(wú)序化設(shè)計(jì)，這往往難根治面外堆疊次序引發(fā)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

團(tuán)隊(duì)從晶體學(xué)對(duì)稱(chēng)性出發(fā)，揭示了鈉離子電池在調(diào)控離子傳輸動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制，提出了一種極具突破性的“面外對(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)”。他們通過(guò)在堿金屬層中引入電荷歧化，巧妙地誘導(dǎo)了P3型層狀氧化物材料發(fā)生單斜晶格畸變。這種畸變打破了原有晶體的對(duì)稱(chēng)性，構(gòu)建了一種獨(dú)特的面外對(duì)稱(chēng)性。不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種新對(duì)稱(chēng)性允許P型和O型Na離子間隙位點(diǎn)共存，從而阻斷了氧離子的長(zhǎng)程有序滑移，有效抑制了有害相變的發(fā)生。

研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)調(diào)控策略為高能效、低滯后鈉離子電池正極材料的設(shè)計(jì)與研究提供了全新途徑。基于該策略設(shè)計(jì)制備的層狀氧化物正極材料(TS-NMNMCO)由于結(jié)構(gòu)演化被有效抑制，材料100圈循環(huán)中的平均電壓滯后僅0.16伏，同時(shí)具有高達(dá)每千克437瓦時(shí)的能量密度，在每克100毫安的電流密度下，200圈循環(huán)后容量保持率高達(dá)80.2%，遠(yuǎn)超用于對(duì)比的P3型層狀氧化物正極材料。

劉黎表示，該研究成果的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略具備良好的普適性，有望拓展至其他層狀電極體系，為高性能電極材料的理性設(shè)計(jì)提供新范式。