鈉離子電池高電壓正極材料低能耗規(guī)模化制備取得重要進(jìn)展

近日，在中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所綠色化工研究部和中國(guó)科學(xué)院物理研究所清潔能源團(tuán)隊(duì)多年來持續(xù)不斷的合作及共同努力下，鈉離子電池用聚陰離子型高電壓正極材料的低能耗規(guī)模化制備取得了重要進(jìn)展。

我們知道，可充電電池廣泛用于生活中的諸多方面。使用廣泛的鋰離子電池由于鋰資源價(jià)格昂貴以及地質(zhì)儲(chǔ)量有限等因素可能不能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的需求。而鈉離子電池由于鈉資源儲(chǔ)量豐富且價(jià)格低廉越來越引起人們的廣泛關(guān)注，并有可能在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域獲得應(yīng)用。聚陰離子型化合物氟磷酸釩鈉Na₃(VO_1-xPO₄)₂F_1+2x (0 ≤ x ≤ 1)（NVPFs）作為鈉離子電池的正極材料，具有高達(dá)480 Wh/kg的能量密度。如果NVPFs能夠工業(yè)化應(yīng)用，其全電池的能量密度可以和鋰離子電池媲美。

以趙君梅副研究員領(lǐng)導(dǎo)的小組長(zhǎng)期以來一直攻關(guān)氟磷酸釩鈉的低能耗綠色合成方法。最近，在針對(duì)NVPFs進(jìn)行了一系列水熱/溶劑熱合成方法系統(tǒng)研究之后，她們進(jìn)一步提出以萃取分離為前提直接制備功能材料，即萃取分離制備一體化的概念，并以Na₃(VOPO₄)₂F（NVPOF）為例，開發(fā)了一步便利的室溫可控制備技術(shù)，闡述了這一概念的具體應(yīng)用。NVPFs自1999年由法國(guó)科學(xué)家J.-M. Le Meins首次報(bào)道以來，一直沿用的是高溫固相的合成方法，而高能耗勢(shì)必增加該材料的成本，這將限制該材料的廣泛應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，法國(guó)著名科學(xué)家Jean-Marie Tarascon教授已經(jīng)將氟磷酸釩鈉用于做成圓柱形18650鈉離子電池，然而僅限于實(shí)驗(yàn)室。而我們開發(fā)的基于萃取分離的室溫一步可控制備技術(shù)大大地降低了正極材料的生產(chǎn)成本。特別有意思的是，通過巧妙設(shè)計(jì)，獲得的NVPOF是一種具有多殼層微觀結(jié)構(gòu)的微球，其形成機(jī)理主要是基于原位生成的氣泡作為軟模板，并且溶液中共沉淀產(chǎn)生的納米顆粒與氣泡表面發(fā)生層層自組裝的結(jié)果。所合成的NVPOF微球，在沒有任何額外的高溫?zé)Y(jié)、納米化以及碳包覆處理的條件下，展現(xiàn)了優(yōu)越的倍率性能和突出的循環(huán)性能。可以說有關(guān)氟磷酸釩鈉的實(shí)驗(yàn)室研究目前已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

這一研究成果必定會(huì)加速氟磷酸釩鈉的工業(yè)化進(jìn)程。

這是首次報(bào)道室溫一步可控合成一種聚陰離子化合物，也是對(duì)正極材料的常規(guī)高溫固相法以及水熱合成法的挑戰(zhàn)。而有關(guān)原位氣泡軟模板策略相對(duì)于常規(guī)的硬模板以及表面活性劑模板也極具新穎性，可以被拓展到其它多殼微觀結(jié)構(gòu)的合成中。

同時(shí)這一研究成果標(biāo)志著萃取分離和功能材料制備一體化技術(shù)的初步實(shí)現(xiàn)，這可以顯著降低正極材料的制備成本。這一技術(shù)可以進(jìn)一步拓展到廢舊二次電池正極材料的循環(huán)利用以及其它相似電極材料的室溫規(guī)模化制備中。

這一成果發(fā)表于Cell出版社能源旗艦期刊Joule。

文章鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30338-6。

題目：Scalable Room-Temperature Synthesis of Multi-shelled Na₃(VOPO₄)₂F Microsphere Cathodes, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.07.027

此項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2016YFB0901500）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51672275，51421002）、北京市自然科學(xué)基金（2182074）以及美國(guó)能源部項(xiàng)目(DE-AC02-06CH11357)的支持。