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【技术前沿】北京理工大学在钠离子电池负极方面取得研究进展

2021-05-19
新一轮能源革命已经到来，大力发展可再生能源发电与规模储能是实现产业转型和经济可持续发展的关键。我国新能源产业在近几年爆发式增长，但是由于风能、太阳能等新能源具有随机性和不确定性等缺点，在大规模接入电网的过程中会给电网的稳定性带来隐患。电化学储能具有稳定性好的优点，其中锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和高工作电压，是现今重要储能设备之一。但是由于锂资源短缺导致锂成本增加，面向大规模储能应用受到较大影响。钠离子电池作为二次电池体系中的新星，其具有钠资源丰富、价格低廉等特点，结合其功率密度、能量密度、生产成本等诸多因素，钠离子电池的总体优势有望使其成为未来大规模储能系统应用发展的最佳选择。

图1 钠离子电池大规模储能应用及关键材料组成

钠离子电池中正负极材料和电解质是最重要的组成部分，同时也决定了其电化学性能的优劣。目前研究的正极材料包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝以及有机正极材料等，负极材料包括转化类型、合金类型和碳材料等，电解质包括固体电解质、有机、水系等多种类型，不同电解质体系需要匹配不同的正负极材料。


近日，材料类顶级国际期刊《Advanced Functional Materials》（《先进功能材料》，影响因子16.836）报道了北京理工大学材料学院陈人杰教授和谢嫚副教授的钠离子电池课题组在钠离子电池负极方面的研究进展，相关研究成果以“Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage”为题在线发表。江颖博士为第一作者，谢嫚副教授、陈人杰教授为共同通讯作者。


图2 Fe2VO4@CMK-3复合物合成过程


与单金属氧化物相比，双金属氧化物在碱金属离子存储中表现出更高的电子/离子导电性和电化学活性。其中Fe2VO4具有原材料丰富、高的理论比容量等优点，在钠离子负极材料中得到广泛关注。然而，Fe2VO4颗粒很容易团聚，在循环过程中结构破坏严重，最终导致容量迅速衰减。基于此问题，采用水热和后续煅烧的方法制备了Fe2VO4@CMK-3复合材料。该材料集成了多重优势：有序介孔结构的CMK-3作为碳支架，显著提高导电性；散落在CMK-3表面的Fe2VO4暴露出更多的活性位点；纳米复合结构在循环过程中提供充足的体积膨胀缓冲空间。因此，应用于钠离子电池负极材料时，Fe2VO4@CMK-3复合物实现了稳定的循环性能。同时，Fe2VO4@CMK-3复合材料表现出高的赝电容贡献率（扫速为1.0 mV s−1，电容贡献为89.1%），促进了高倍率性能的实现。另外，与NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料匹配，构建得到的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2//Fe2VO4@CMK-3全电池表现出稳定的循环性能：在0.5 A g−1条件下循环500圈容量保持率为81%。该研究为钠离子电池负极材料的研究以及纳米复合结构材料的构建提供了一种新思路。


图3 Fe2VO4@CMK-3全电池匹配及电化学性能


文献链接：Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage.  Adv. Funct. Mater. 2021, 2009756. https://doi.org/10.1002/adfm.202009756

在吴锋院士的指导下和国家重点研发计划项目（高安全、长寿命和低成本钠基储能电池的基础科学问题研究，2016YFB0901500）的支持下，钠离子电池课题组在钠离子电池关键材料领域开展了系统的研究工作。近三年来，在正极材料方面：通过优化合成工艺、结构设计调控、精确离子交换等方法合成了多种不同形貌高品质普鲁士蓝、锰基P2相正极等材料；在负极材料方面：采用结构调控手段、异质结构设计和动力学优化等多种设计方法合成了反应速率快、界面稳定、体积膨胀小的负极材料；团队多次参加大学生材料创新大赛、世纪杯、挑战杯以及中国互联网+创新创业大赛等比赛，获得第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国家金奖1项，2020年北京市优秀创业团队一等奖等多个奖项。




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