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大連化物所研制出高面載量低彎曲度指狀孔鈉離子電池電極

時(shí)間:2021-03-30 10:22來源:大連化學(xué)物理研究所 作者:綜合報(bào)道
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  近期,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒、副研究員鄭瓊帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池超高面載量電極研究方面取得新進(jìn)展。
 
  鈉離子電池具有資源豐富、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn),在中低速電動(dòng)車、電動(dòng)自行車、用戶側(cè)儲(chǔ)能、大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似,但由于鈉離子具有較大的相對(duì)原子質(zhì)量及粒子半徑,且其在電極中嵌入與脫嵌動(dòng)力學(xué)差,使得鈉離子電池較鋰離子電池比能量和比功率偏低。開發(fā)高面容量電極是提高電池比能量的有效方法之一。對(duì)于傳統(tǒng)的刮涂法制備的電極,電極組分的隨意堆疊將形成高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)。隨著電極厚度的增加,高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)將大幅增加離子傳輸路徑,增加鈉離子在電極內(nèi)部的擴(kuò)散阻力,使得離子傳輸成為電化學(xué)反應(yīng)的限速步驟,導(dǎo)致電池比功率較低。
 
  研究團(tuán)隊(duì)基于非溶劑誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化方法,調(diào)控成膜熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程,制備出一種具有低彎曲度指狀孔的超高面容量(60 mg/cm2,4.0 mAh/cm2)磷酸釩鈉基電極結(jié)構(gòu)。在低彎曲度指狀孔電極內(nèi),一方面,鈉離子首先沿著指狀孔在電極厚度方向遷移(比在多孔介質(zhì)中的遷移速度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)),隨后發(fā)生離子橫向擴(kuò)散,離子輸運(yùn)路徑明顯縮短;另一方面,由于鈉離子的有效離子擴(kuò)散速率與彎曲度成反比,使得低彎曲度指狀孔內(nèi)可實(shí)現(xiàn)更快的鈉離子傳輸,進(jìn)而有效促進(jìn)了鈉離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。此外,研究團(tuán)隊(duì)將多物理場(chǎng)耦合的有限元模擬分析首次應(yīng)用于鈉離子電池電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其內(nèi)部的電荷傳遞動(dòng)力學(xué)過程研究,獲得了不同彎曲度多孔電極內(nèi)反應(yīng)物濃度、電流密度、極化等的時(shí)間和空間分布特性。結(jié)果顯示,得益于快速的鈉離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué),低彎曲度多孔電極內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)更均勻,鈉離子傳輸更快,進(jìn)而驗(yàn)證了低彎曲度指狀孔電極,特別是高面容量電極在大電流運(yùn)行工況下電池比功率優(yōu)勢(shì)。該研究為高比能量、高比功率鈉離子電池設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新思路。
 
  相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的資助。
 
  近年來,該團(tuán)隊(duì)致力于釩基正極/硬碳負(fù)極鈉離子電池體系研究,針對(duì)正負(fù)極電極和電解液中存在的電子電導(dǎo)率低、離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)慢、界面穩(wěn)定性差等關(guān)鍵科學(xué)問題,開展了系列研究工作(Nano Energy,2018;ACS Energy letter,2019;J. Mater. Chem. A,2020;ACS Appl. Mater. Interfaces,2020);通過關(guān)鍵材料及電芯制備工藝的創(chuàng)新與優(yōu)化,開發(fā)出5.2 Ah磷酸釩鈉/硬碳基鈉離子電池電芯,其比能量超過115 Wh/kg,5C容量保持率>81%,0.33C循環(huán)近1000次容量保持率>90%。上述進(jìn)展有利于推進(jìn)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鈉離子電池 電極 大連化物所
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