中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：日前，中北大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院梁君飛教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》發(fā)表重要研究成果，將超小超薄非晶理念運(yùn)用于鈉離子電池電極材料設(shè)計(jì)，有效解決了鈉離子電池在快充條件下動(dòng)力學(xué)緩慢和體積膨脹嚴(yán)重的瓶頸難題。
在鋰電池主導(dǎo)儲(chǔ)能市場(chǎng)的當(dāng)下，鈉離子電池憑借原料豐富、成本低廉、安全性高的優(yōu)勢(shì)，被視為大規(guī)模儲(chǔ)能、低溫動(dòng)力設(shè)備等場(chǎng)景的理想替代方案。
梁君飛介紹，我國(guó)鈉資源儲(chǔ)量豐富，且鈉離子電池?zé)o需依賴鋰、鈷等稀有金屬，成本較鋰電池降低20%—30%，但長(zhǎng)期受制于鈉離子遷移效率低導(dǎo)致充電慢，電極材料體積膨脹劇烈導(dǎo)致循環(huán)壽命短兩大關(guān)鍵難題。
面對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)將目光鎖定在了紅磷材料上。梁君飛告訴記者，紅磷不僅理論容量極高，且成本低廉，是理想度較高的負(fù)極材料。然而它也存在明顯短板：原始紅磷作為負(fù)極材料時(shí)，充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生超400%的劇烈體積膨脹，如同反復(fù)拉伸的橡皮筋最終斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致材料粉化失效；此外，其極低的電導(dǎo)率嚴(yán)重制約了高電流密度下的充放電速度，堪稱“電力傳輸?shù)慕^緣體”，極大限制了紅磷材料的實(shí)際應(yīng)用。
“這就像給電池裝了個(gè)狹窄的‘離子通道’和脆弱的‘存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)’，既跑不快又容易壞?！绷壕w教授用通俗的比喻解釋道。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)晶體材料的剛性結(jié)構(gòu)正是問題的根源，而原子排列無(wú)序的非晶材料，恰好擁有如“海綿”般的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，這或許能成為破解難題的關(guān)鍵。
為此，研究團(tuán)隊(duì)打破傳統(tǒng)晶體材料優(yōu)化的思維定式，提出“非晶化+超薄化+超小尺寸”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，通過(guò)液相剝離技術(shù)，將紅磷精準(zhǔn)“剪”成橫向尺寸約2納米、厚度僅0.9納米的超小薄片。
“這好比把堅(jiān)硬的石塊磨成超細(xì)海綿粉，既擴(kuò)大了吸附面積，又具備了彈性?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中北大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授張耀輝解釋道，非晶結(jié)構(gòu)中原子的無(wú)序排列形成了大量“活性陷阱”，為鈉離子提供了更多附著位點(diǎn)；而2納米的超薄厚度，將鈉離子的傳輸距離壓縮到極致，就像把馬拉松賽道改成百米沖刺，傳輸速率顯著提升。
測(cè)試顯示，該復(fù)合電極在每秒0.9毫伏掃描速率下贗電容貢獻(xiàn)達(dá)91%，鈉離子吸附能低至-4.609電子伏特，從根本上解決了傳輸慢、易失效的問題。
為進(jìn)一步提升導(dǎo)電性，團(tuán)隊(duì)將非晶紅磷與高導(dǎo)電MXene材料復(fù)合，構(gòu)建起三維蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如同搭建了“離子高速公路”，通過(guò)增強(qiáng)異質(zhì)界面的內(nèi)建電場(chǎng)，從根本上破解了紅磷導(dǎo)電性差的瓶頸，大幅降低鈉離子傳輸阻力。
嚴(yán)苛測(cè)試結(jié)果充分印證了這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)越性。在10A/g的高電流密度下，電池仍保持835mAh/g的高容量，容量相當(dāng)于普通鋰電池的兩倍以上；在5A/g電流密度下循環(huán)1000次后，容量維持在1447mAh/g，性能處于國(guó)際同類研究領(lǐng)先水平。這意味著該電池既能“快充快跑”，又能“經(jīng)久耐用”，完美契合儲(chǔ)能電站、新能源汽車等場(chǎng)景的應(yīng)用需求。
更值得關(guān)注的是，該技術(shù)具備良好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)?！拔覀儾捎玫囊合鄤冸x和常規(guī)退火工藝，可直接融入現(xiàn)有電池生產(chǎn)線，無(wú)需大規(guī)模改造設(shè)備?！绷壕w介紹，紅磷作為低成本工業(yè)原料，助力鈉離子電池在成本與能量密度上形成雙重優(yōu)勢(shì)。目前團(tuán)隊(duì)已啟動(dòng)規(guī)?；苽涞奶剿鞴ぷ?，重點(diǎn)提升電極首次庫(kù)侖效率，同時(shí)與電池企業(yè)對(duì)接，推動(dòng)技術(shù)的實(shí)用化轉(zhuǎn)化。
