钠离子电池的正极材料研究

近日， Bruce 教授在钠离子电池的正极材料研究中又取得巨大的突破并发表 在 Nature 子刊上。 (Nature Chem.， 2018， 10， 288–295) 文章报道了一种 P2 型的 Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2 层状钠离子电池正极材料， 具有近 170 mAh/g 的 高比容量和近 2.75V 的放电电压。 而这高的容量来自于该材料的稳定结构以及氧 元素的氧化还原。 在钠离子脱出时，低含量的钠促进了 O2 结构的氧化层的形成。 此外氧在充电过程中存在氧化还原反应又额外贡献了容量。 同时 Mg2+的引入 又抑制了氧的损失。这项工作对锂电和钠电正极材料中氧的氧化还原所提供额外 容量的现象又提供了进一步的认识， 此外也提供了从结构和组分上来设计材料， 通过抑制氧的流失来实现高容量的正极材料的新路径。

图二， P2 型 Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2 材料的结构示意图。 (Nature Chem.， 2018， 10， 288–295)

 Clare P. Grey 于 1991 年在牛津大学获得博士学位。 目前是剑桥大学化学系 教授， 英国皇家学会院士， 纽约州立大学石溪分校兼职教授。 Clare P. Grey 已在 国际一流刊物上发表期刊论文 300 逾篇， 发表论文累计引用 23600 余次， H 因子 为 78。 目前 Grey 教授是 Journal of American Chemical Society， Joule， Accounts of Chemical Research 等国际著名期刊的编委。 

Grey 教授团队的主要研究工作集中在以下几个方向： 锂离子电池技术， 钠 离子电池技术， 新型锂空气电池， 镁离子电池和固态电解质等前瞻科研领域。 近 年来， Grey 教授在锂离子电池正极材料方面结合自身以及的表征技术的优 势， 在材料的表征及模拟方面开展了诸多研究。

 图三展示了 Grey 教授在研究尖晶石结构的锂过渡金属氧化物的较新成果 (Chem. Mater. 2018， 30， 817?829)。 文章在研究 LiTixMn2-xO4 (0.2≤x≤1.5) 材 料时，利用 NMR 等表征技术，结合 DFT 理论计算，研究了不同 Ti 掺杂对 LTMO 结构的影响。 通过研究发现 Ti 掺杂的存在使得材料的结构随着 Ti 含量的变化而 发生变化。 在 X=0.2 时， LTMO 中的 Ti4+和 Mn3+/4+ 呈随机分布;在 X=0.4 时 则具有富含 Ti4+ 和 Mn4+的不均匀晶格;在 x=0.6 和 0.8 时会形成单相固溶体;而 在 x=1 时则呈现 Li-Mn2+ 四面体和 Li-Mn3+/4+ -Ti 八面体构型的组合。 这项工 作也为研究其他电池电极材料的结构变化提供了参考依据。

图三， LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 的 Al， Li， Ni， Co， O 离子的离子空间 分布图谱 (Chem. Mater. 2018， 30， 817?829)。 

崔屹教授于 2002 年于哈佛大学获得博士学位， 目前是斯坦福大学材料科学 与工程系教授。 崔屹教授已在国际一流杂志上发表论文 700 逾篇， 并在国际顶刊 Nature 和 Science 及其子刊上发表文章共计 88 篇， 已发表论文累计引用 116300 余次， H 因子 160。 目前是国际知名期刊 Nano letter 的副主编及 ACS applied energy material 等杂志的编委。 

崔屹教授团队的科研主要集中在锂离子电池硅负极上，在硅负极领域取得了 诸多杰出的成果。 同时， 近年来也在锂金属负极方面以及锂硫电池上取得了诸多 优异成果。 尤其是近三年来在锂金属负极的研究方面取得了突破性进展， 并在 Science， Nature Nanotechnology， Nature Energy 等国际顶级杂志上相继发表诸 多文章。

 图四展示了崔屹教授较新研究的大尺寸硅锂合金-石墨烯柔性电极(Nature Nanotech.， 2017， 12， 993–999 )该电极由活性的锂硅合金纳米颗粒组成， 并 由大尺寸石墨烯层均匀地包覆起来， 具有良好的空气稳定性。 这种结构有效地抑 制了硅合金化所带来的体积膨胀效应并抑制了锂枝晶的生长，使得电极表现出极 好的循环稳定性以及高达 500 Wh kg-1 的能量密度。 研发的硅锂合金负极有望与 硫正极配对组成高能量密度的硫-硅锂合金电池并广泛应用。

图四， 硅锂合金-石墨烯柔性电极的电化学性能。 (Nature Nanotech.， 2017， 12， 993–999)