近日，物理学院吴兴隆教授团队在高性能钠离子电池领域取得系列科研进展。随着钠离子电池产业化进展的不断推进，对其性能的要求也在不断地提升，不仅需要提供更高的能量密度，还对极端工作环境应用提出了更高要求。针对这些问题，吴兴隆教授团队设计并开发了适于宽温域工作和长循环寿命的钠离子电池电解液、粘结剂以及超快制备的钠离子电池电极材料，取得的研究结果有望促进高性能钠离子电池的开发和实际应用，研究成果陆续发表于Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials和Energy Storage Materials等材料/化学学科顶级期刊。
通过设计电解液的添加剂组分、溶剂化结构，稳定电极/电解质界面，提升Na+传输动力学，成功实现了钠离子电池的全天候适应性。开发的宽温区钠离子电池，在−25至75℃跨度100℃的温度范围均可稳定运行：在60℃下循环1000圈后，容量保持率仍然为84%；在75℃下循环300圈，容量保持率达到80%；以Na3V2(PO4)2O2F和硬碳分别为正极和负极组装的全电池，在−25℃和50℃下循环超过500次和1000次，在连续温度变化的全天候动态测试中表现出出色的温度适应性。该成果以“Electrolyte Chemistry toward Ultrawide-Temperature (−25to75℃) Sodium-Ion Batteries Achieved by Phosphorus/Silicon-Synergistic Interphase Manipulation”、“Self-Purification and Silicon-Rich Interphase Achieves High-Temperature (70°C) Sodium-Ion Batteries with Nonflammable Electrolyte”为题，分别发表于国际著名期刊Journal of the American Chemical Society（2024, 146, 7295–7304；被选为封面文章）和Energy Storage Materials（2024, 66, 103230），两篇论文的第一作者为物理学院博士研究生梁皓杰。
图1 宽温域钠离子电池的相关研究成果
为了充分发挥团队前期开发的高电压磷酸盐正极材料的高能量密度和长循环寿命特性，推进其真实电池应用，设计新型氢键交联螺旋结构粘结剂，实现了达到实用化水平的厚电极制备和全电池装配与评价。氢键交联粘结剂的构建，优化了载流子传导行为和电极/电解质的界面，减小了电池自放电效应，显著延长了电池循环稳定性和寿命，为其应用开发奠定了坚实基础。该成果以“Hybrid Binder Chemistry with Hydrogen-Bond Helix for High-Voltage Cathode of Sodium-Ion Batteries”为题，发表于国际著名期刊Journal of the American Chemical Society（2024, 146, 4652–4664；被选为封面文章）。
为了实现钠电磷酸盐正极的多电子转移、获得更高的能量密度，在前期高熵掺杂理念（Advanced Materials, 2022, 34, 2110108）的基础上，提出多元素调控的熵增取代新策略，实现多级氧化还原和固溶离子脱嵌过程，打破高电压下氧化还原过程难实现的壁垒，最终开发的MLNP正极材料实现了2.77个电子转移，材料能量密度达到440 Wh kg-1，为NASICON结构正极材料应用于钠离子电池、制造高比能钠离子电池开辟了一条新路径。相关成果以“Homeostatic Solid Solution Reaction in Phosphate Cathode: Breaking High-Voltage Barrier to Achieve High Energy Density and Long Life of Sodium-Ion Batteries”为题发表于Advanced Materials （2024, 36, 2400690）上。上述两篇论文的第一作者为物理学院博士研究生谷振一。
图2 高性能磷酸盐正极材料的开发与应用的相关研究成果
针对钠电负极材料制备过程复杂、制备时间过长等缺点，与广州大学牛利教授和韩冬雪教授团队合作，提出了一步超快、无溶剂的微波热解方法，得到了一种硒空位调控的双金属硒化物异质结作为柔性负极材料，该异质结固定在具有坚固界面C-Se-Co/Fe化学键的废棉布衍生的柔性碳布上。富硒空位和CoSe2/FeSe2-x异质结构同步形成，可以显著提升钠离子和电子扩散动力学行为。此外，硒空位异质结构表面上均匀的碳层赋予它卓越的结构稳定性。1000圈循环后，在1.5 mAh cm-2的电流密度下可以获得1.65 mAh cm-2的高可逆面容量。通过耦合CCFSF负极、PB@FCC正极与凝胶聚合物电解质，组装了先进的柔性准固态钠离子软包电池，该全电池不仅表现出优异的储能特性，而且具有强大的机械灵活性和安全性。本工作为实现高安全性的柔性储能设备提供了一条有效途径，为柔性可穿戴电子设备的电源需求提供保障。该成果以“Solvent-Free Ultrafast Construction of Se-Deficient Heterojunctions of Bimetallic Selenides Towards Flexible Sodium-Ion Full Batteries”为主题，发表于Advanced Materials（2024, 36, 2308987）上。
相关论文的链接网址：
https://doi.org/10.1021/jacs.3c11776
https://doi.org/10.1021/jacs.3c11739
https://doi.org/10.1002/adma.202400690
https://doi.org/10.1002/adma.202308987
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103230