隨著二次電池市場的大規(guī)模增長和鋰資源的大量消耗,人們開始尋求鋰電池的替代品。由于鈉資源豐富,價格低廉,分布廣泛,鈉離子電池逐漸成為儲能領域研究的熱點之一。由于Na/Na+的標準電勢-2.71 V與Li/Li+的標準電勢-3.04 V接近,且二者的電池工作原理類似,因此科研人員可借鑒鋰離子電池中的研發(fā)經(jīng)驗應用于鈉離子電池。然而,鈉離子較大的離子半徑(Na+: 1.02 A vs Li+: 0.76 A)和較慢的動力學速率,使商用的鋰離子電池負極材料——石墨在作為鈉離子電池負極時不能提供令人滿意的性能,因此開發(fā)具有新型結構的鈉離子電池負極材料顯得尤為重要。

　　近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所光電轉換材料與器件研究課題組與北京大學、浙江大學合作,在晶體結構的功能導向性設計與新型儲能材料制備方面取得新進展。該團隊基于“結構功能區(qū)”的設計理念,制備出一種新型負極材料Na2Cu2.09O0.50S2,并獲得優(yōu)異的鈉離子存儲性能。Na2Cu2.09O0.50S2具有準一維晶體結構,其中[Cu4S4]鏈作為電子傳導結構單元,使得樣品導電率高達0.5 S/cm;Na4[CuO]鏈作為離子傳導結構單元,形成鈉離子快速傳導的通道。研究團隊進一步通過球磨降低其晶粒尺寸,最終實現(xiàn)了高比容量(在0.2 A/g時為588 mAh/g)、優(yōu)異的倍率性能(在2 A/g時為408 mAh/g)與良好的循環(huán)性能(400個循環(huán)后容量保持率為82%)。基于“結構功能區(qū)”的設計思路可為設計與制備新型電極材料提供新的可能。相關研究成果以Boosting the Stable Na Storage Performance in 1D Oxysulfide 為題發(fā)表于國際期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Materials 2019,DOI: 10.1002/aenm.201900170),上海硅酸鹽所與浙江大學聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生徐吉健為第一作者,研究員黃富強為通訊作者。

　　上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院、上海市科委等的資助。

　　結構功能區(qū)示意圖與Na2Cu2.09O0.50S2負極材料的鈉離子電池性能