新型低成本钠离子电池关键材料及其储钠机理

Sodium-ion battery (SIB) is believed as an ideal alternative electrochemical device for lithium-ion battery due to abundant resource, low cost, high safety and long cycle life, which can be used in large-scale energy storage. In this project, we will focus on developing key electrode materials for low-cost and high-performance SIBs, mainly including functional ceramic oxide materials. Natural abundant (Mn, Fe)-based oxides will be evaluated as cathode materials, while layered Ti-based oxides with low voltage will be investigated as anode materials. Their sodium-storage performances and mechanisms will be studied by using various techniques such as in-situ transmission electron microscopy (TEM), in-situ X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XAS). The active Na-storage sites, defects/vacancies, volume effect, solid-electrolyte interface will be systematically investigated, and the relationship between the electrochemical performance and structure will be proposed. Furthermore, the electrolytes will be matched with the electrode materials to promote the performance. Based on the optimized electrodes, low-cost and long-life sodium-ion full batteries will be fabricated with energy density higher than 80 Wh/kg and cycle life longer than 3000 cycles. Our work will provide theoretical and experimental support for practical applications in large-scale energy storage.

钠离子电池由于资源丰富、成本低、安全性好、寿命长，是用于规模储能、可替代锂离子电池较理想的下一代储能器件。本项目拟设计低成本高性能钠离子电池关键电极材料，主要考察功能陶瓷类氧化物电极材料，正极主要研究自然储量丰富、成本低廉的的锰、铁基氧化物材料，负极则主要研究低电压层状钛基氧化物材料，系统研究上述电极材料的储钠性能，结合原位透射电镜、X射线粉末衍射和X射线光电子能谱、X射线吸收光谱等技术，系统研究材料中储钠活性位点、缺陷及空位、体积效应、电极/电解液/界面及内部储钠机理与材料的构效关系；对电极材料、电解液及电池结构进行匹配和优化，提升材料电化学性能；优选性能优异的正负极材料，构建低成本、长寿命钠离子单体电池，能量密度达到80 Wh/kg，循环寿命超过3000次。为后续钠离子电池在大规模储能领域的产业化应用提供理论依据和数据支撑。

本项目围绕低成本高性能钠离子电池关键电极材料，系统研究了钠离子电池电极材料的储钠性能、材料中储钠活性位点、缺陷及空位、体积效应、电极/电解液/界面及内部储钠机理与材料的构效关系。在此基础上，对电极材料、电解液及电池结构进行匹配和优化，构建了低成本、长寿命钠离子单体电池。主要研究结果如下：.1. 通过对低成本锰基层状过渡金属氧化物、聚阴离子型磷酸钒钠、类普鲁士蓝等正极材料的化学组成、相结构、Na+/空位的有序性进行优化和调控，电化学过程中的相变可逆性得到了提高，从而改善了材料的电化学性能和对空气及水的稳定性。.2. 针对碳基负极、钛基氧化物负极、合金负极和金属钠负极所存在的挑战，通过掺杂、纳米复合结构化设计等手段进行优化，解决了负极材料在实际应用过程中效率低以及体积效应带来的电池性能衰退的问题。.3. 为了得到性能最佳的钠离子单体电池，在电极材料优化的基础上，进一步对钠离子电池的电解质进行优化和匹配。通过调节电解质在电极/电解质界面的成膜性，提高了界面的化学及热稳定性，提高了电池的电化学性能和稳定性。.4. 通过对钠离子电池关键电极材料和电解液的优化，制备得到的氟磷酸钒钠||钠化锡的全电池，在0.1C下电池单体能量密度可以超过85 Wh/kg, 在5C的倍率下循环寿命可达到5000次。.通过本项目对正负极材料的筛选，我们可以得出以下结论：.1. 层状过渡金属氧化物的材料成本较低、比容量较高，但是循环稳定性需要进一步提高；类普鲁士蓝的循环稳定性优异，然而比容量需要通过设计双活性的化学结构进行提高；氟代磷酸钒钠材料兼顾了较高的比容量和较好的循环稳定性，但是材料成本较高。.2. 硬碳是目前综合性能最好的负极材料，比容量高、循环性能好。但是，若要提高全电池的能量密度，需要正极与合金化负极或钠金属负极匹配。.本项目可以为后续钠离子电池在大规模储能领域的产业化应用提供理论依据和技术支撑。