中國儲能網(wǎng)訊：日前，中北大學能源與動力工程學院梁君飛教授團隊在國際頂級期刊《先進材料》發(fā)表重要研究成果，將超小超薄非晶理念運用于鈉離子電池電極材料設(shè)計，有效解決了鈉離子電池在快充條件下動力學緩慢和體積膨脹嚴重的瓶頸難題。
在鋰電池主導儲能市場的當下，鈉離子電池憑借原料豐富、成本低廉、安全性高的優(yōu)勢，被視為大規(guī)模儲能、低溫動力設(shè)備等場景的理想替代方案。
梁君飛介紹，我國鈉資源儲量豐富，且鈉離子電池無需依賴鋰、鈷等稀有金屬，成本較鋰電池降低20%—30%，但長期受制于鈉離子遷移效率低導致充電慢，電極材料體積膨脹劇烈導致循環(huán)壽命短兩大關(guān)鍵難題。
面對這一難題，研究團隊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，是理想度較高的負極材料。然而它也存在明顯短板：原始紅磷作為負極材料時，充放電過程中會產(chǎn)生超400%的劇烈體積膨脹，如同反復拉伸的橡皮筋最終斷裂，進而導致材料粉化失效；此外，其極低的電導率嚴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際應(yīng)用。
“這就像給電池裝了個狹窄的‘離子通道’和脆弱的‘存儲倉庫’，既跑不快又容易壞。”梁君飛教授用通俗的比喻解釋道。團隊發(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，研究團隊打破傳統(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)計思路，通過液相剝離技術(shù)，將紅磷精準“剪”成橫向尺寸約2納米、厚度僅0.9納米的超小薄片。
“這好比把堅硬的石塊磨成超細海綿粉，既擴大了吸附面積，又具備了彈性?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中北大學能源與動力工程學院副教授張耀輝解釋道，非晶結(jié)構(gòu)中原子的無序排列形成了大量“活性陷阱”，為鈉離子提供了更多附著位點；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。
測試顯示，該復合電極在每秒0.9毫伏掃描速率下贗電容貢獻達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。
為進一步提升導電性，團隊將非晶紅磷與高導電MXene材料復合，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”，通過增強異質(zhì)界面的內(nèi)建電場，從根本上破解了紅磷導電性差的瓶頸，大幅降低鈉離子傳輸阻力。
嚴苛測試結(jié)果充分印證了這項技術(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”，完美契合儲能電站、新能源汽車等場景的應(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。目前團隊已啟動規(guī)?；苽涞奶剿鞴ぷ鳎攸c提升電極首次庫侖效率，同時與電池企業(yè)對接，推動技術(shù)的實用化轉(zhuǎn)化。
