中國粉體網(wǎng)訊 鈉離子電池正極材料按照組分不同主要分為3類：過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物和普魯士藍類化合物，此外，還有氟化物類、有機化合物類等新型正極材料逐漸被廣泛研究。
鈉離子電池過渡金屬氧化物正極材料依據(jù)其材料結構的不同可分為二維層狀金屬氧化物與一維隧道型金屬氧化物。鈉離子電池層狀過渡金屬氧化物（NaxMO2，M為Ni、Mn、Fe、Co和Cu等過渡金屬元素）的理論比容量（240mAh/g）與實際比容量（200mAh/g）相對較高，此種材料中過渡金屬元素原子與鈉離子以一定的配位方式組成。Delmas等按照Na+的含量與配位方式將此種材料分為八面體型（O型）和棱柱型（P型），O型結構鈉離子位于八面體中的空隙，P型結構鈉離子位于棱柱中心的空隙。按照氧層的堆疊順序，八面體型（O型）可分別分為O2、O3堆疊方式，常見的堆疊方式為O3型，這種構型中Na+離子含量高，因此初始容量也高，但倍率與容量保持率差。同理，棱柱型（P型）結構也可分為P2與P3型，P2型具有寬的鈉離子傳輸通道與較低的離子遷移能壘，但由于其鈉含量低，因而初始容量低，且極易發(fā)生由P2轉變?yōu)镺2的相變從而影響穩(wěn)定性；P3型則有相對O3型較低的擴散能壘和較低的燒結溫度，但其晶體結構對稱性較差，鈉離子脫嵌時過渡金屬層滑移矢量多，會產生復雜的相變從而導致嚴重的容量衰減。
O型與P型層狀氧化物結構示意圖及相變過程
鈉離子電池在充放電過程中由于正極材料結構改變引起的失效原因是研究鈉離子電池正極材料改性的重要參考，掌握鈉離子電池在充放電過程中的失效機制能夠為其改性研究工作提供明確的方向和強有力的支持。目前，相對明確的失效機制除了上述的相變過程，還包括正極與電解液發(fā)生副反應、以鈉離子/空位有序重排序為主的3種已知有序重排等。
隨著研究的深入，層狀氧化物正極材料的構效關系也逐漸明朗，依據(jù)構效關系與失效機制，研究人員采取了一系列的改性手段對層狀氧化物正極材料進行修飾與改性，包括引入新的元素摻雜、多相復合和包覆與微觀調控結構等手段取得了顯著的成效，“陽離子勢”、“高熵”概念的引入也為正極材料的優(yōu)化提供了嶄新的思路。
2023年8月，中國粉體網(wǎng)將在山城重慶舉辦“2023先進正極材料技術與產業(yè)高峰論壇暨第一屆鈉離子電池材料技術研討會”。我們有幸邀請到華北電力大學的栗永利教授為我們帶來題為《鈉離子電池層狀正極材料性能優(yōu)化與失效機理研究》的報告。栗教授將針對P2相與O3相中復雜的相變、緩慢的鈉離子擴散動力學、過渡金屬遷移與溶解等關鍵科學問題，采用形貌調控、離子摻雜與高熵構型設計，改善材料微觀和晶體結構退化特性，優(yōu)化提升其電化學性能。通過原位XRD、原位XAS、HRNPD和nPDF等先進表征與DFT計算結合，揭示脫/嵌鈉過程中復雜的動態(tài)相演化、電荷補償機制、過渡金屬遷移與材料失效機理。
栗永利，華北電力大學教授，博士生導師，清潔能源技術研究院院長，航天科工集團航天長峰首席科學家。入選國家重大人才工程、歐盟瑪麗居里學者等。曾就職于德國卡爾斯魯厄理工學院、法國國家科研中心、江蘇省雙創(chuàng)人才、愛爾蘭斯托克斯研究所等。主要從事二次電池材料研發(fā)及系統(tǒng)集成、PEM電解槽極板設計制造以及微結構過程強化等方面的研究工作。
參考資料：
1、師文君等《鈉離子電池層狀過渡金屬氧化物正極材料研究進展》
2、白曉宇等，《鈉離子電池正極材料最新進展》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除！
