近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能科技研究部（DNL17）李先鋒研究員、鄭瓊副研究員帶領的研究團隊，在鈉離子電池超高面載量電極研究方面取得新進展。
鈉離子電池具有資源豐富、成本低、安全性高等優點，在中低速電動車、電動自行車、用戶側儲能、大規模儲能等領域具有很好的應用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，但由於鈉離子具有較大的相對原子品質及粒子半徑，鈉離子在電極中嵌入與脫嵌動力學差，造成鈉離子電池較鋰離子電池比能量和比功率偏低。開發高面容量電極是提高電池比能量的有效方法之一。對於傳統的刮塗法製備的電極，電極組分的隨意堆疊將形成高彎曲度的多孔結構。隨著電極厚度的新增，高彎曲度的多孔結構將大幅增加離子傳輸路徑，新增鈉離子在電極內部的擴散阻力，使得離子傳輸成為電化學反應的限速步驟，導致電池比功率較低。
該團隊基於非溶劑誘導相轉化方法，調控成膜熱力學和動力學過程，成功製備出一種具有低彎曲度指狀孔的超高面容量（60 mg/cm2，4.0 mAh/cm2）磷酸釩鈉基電極結構。在低彎曲度指狀孔電極內，一方面鈉離子首先沿著指狀孔在電極厚度方向遷移（比在多孔介質中的遷移速度高出幾個數量級），隨後發生離子橫向擴散，離子輸運路徑明顯縮短；另一方面，由於鈉離子的有效離子擴散速率與彎曲度成反比，使得低彎曲度指狀孔內可以實現更快的鈉離子傳輸，進而有效促進了鈉離子擴散動力學。此外，該團隊將多物理場耦合的有限元類比分析首次應用於鈉離子電池電極結構設計及其內部的電荷傳遞動力學過程研究，獲得了不同彎曲度多孔電極內反應物濃度、電流密度、極化等的時間和空間分佈特性。結果表明：得益於快速的鈉離子擴散動力學，低彎曲度多孔電極內的電化學反應更均勻，鈉離子傳輸更快，進而驗證了低彎曲度指狀孔電極，特別是高面容量電極在大電流運行工况下電池比功率優勢。該工作為高比能量、高比功率鈉離子電池設計開發提供了新思路。
近年來，該團隊長期致力於釩基正極/硬碳負極鈉離子電池體系研究，針對正負極電極和電解液中存在的電子電導率低、離子擴散動力學慢、介面穩定性差等關鍵科學問題，開展了系列研究工作（Nano Energy，2018；ACS Energy letter，2019；J. Mater.Chem.A，2020；ACS Appl.Mater.Interfaces，2020）；並通過關鍵資料及電芯製備工藝的創新與優化開發出5.2Ah磷酸釩鈉/硬碳基鈉離子電池電芯，其比能量超過115Wh/kg，5C容量保持率>81%，0.33C迴圈近1000次容量保持率>90%。上述進展將為推進鈉離子電池產業化進程發揮重要作用。
相關成果發表於《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。上述工作得到國家自然科學基金、中科院A類先導專項“變革性潔淨能源關鍵技術與示範”、中科院青年創新促進會等項目的資助。