李先锋、郑琼：研制出高面载量低弯曲度指状孔钠离子电池电极

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近日，我所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员、郑琼副研究员带领的研究团队，在钠离子电池超高面载量电极研究方面取得新进展。
　　钠离子电池具有资源丰富、成本低、安全性高等优点，在中低速电动车、电动自行车、用户侧储能、大规模储能等领域具有很好的应用前景。钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，但由于钠离子具有较大的相对原子质量及粒子半径，钠离子在电极中嵌入与脱嵌动力学差，造成钠离子电池较锂离子电池比能量和比功率偏低。开发高面容量电极是提高电池比能量的有效方法之一。对于传统的刮涂法制备的电极，电极组分的随意堆叠将形成高弯曲度的多孔结构。随着电极厚度的增加，高弯曲度的多孔结构将大幅增加离子传输路径，增加钠离子在电极内部的扩散阻力，使得离子传输成为电化学反应的限速步骤，导致电池比功率较低。

　　该团队基于非溶剂诱导相转化方法，调控成膜热力学和动力学过程，成功制备出一种具有低弯曲度指状孔的超高面容量（60 mg/cm2，4.0 mAh/cm2）磷酸钒钠基电极结构。在低弯曲度指状孔电极内，一方面钠离子首先沿着指状孔在电极厚度方向迁移（比在多孔介质中的迁移速度高出几个数量级），随后发生离子横向扩散，离子输运路径明显缩短；另一方面，由于钠离子的有效离子扩散速率与弯曲度成反比，使得低弯曲度指状孔内可以实现更快的钠离子传输，进而有效促进了钠离子扩散动力学。此外，该团队将多物理场耦合的有限元模拟分析首次应用于钠离子电池电极结构设计及其内部的电荷传递动力学过程研究，获得了不同弯曲度多孔电极内反应物浓度、电流密度、极化等的时间和空间分布特性。结果表明：得益于快速的钠离子扩散动力学，低弯曲度多孔电极内的电化学反应更均匀，钠离子传输更快，进而验证了低弯曲度指状孔电极，特别是高面容量电极在大电流运行工况下电池比功率优势。该工作为高比能量、高比功率钠离子电池设计开发提供了新思路。
　　近年来，该团队长期致力于钒基正极/硬碳负极钠离子电池体系研究，针对正负极电极和电解液中存在的电子电导率低、离子扩散动力学慢、界面稳定性差等关键科学问题，开展了系列研究工作（Nano Energy，2018；ACS Energy letter，2019；J. Mater. Chem. A，2020；ACS Appl. Mater. Interfaces，2020）；并通过关键材料及电芯制备工艺的创新与优化开发出5.2Ah磷酸钒钠/硬碳基钠离子电池电芯，其比能量超过115Wh/kg，5C容量保持率>81%，0.33C循环近1000次容量保持率>90%。上述进展将为推进钠离子电池产业化进程发挥重要作用。
　　相关成果发表于《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、中科院青年创新促进会等项目的资助。（文/图 吕志强、岳孟）


      文章来源：大连化物所
      李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。