科技动态

必赢bwin线路检测中心是必赢bwin线路检测中心在苏州校区重点建设的学院之一。学院面向“碳中和”战略需求，创造并分享宜居地球和人类可持续发展所需的基础理论，致力于发展能量与物质循环的前沿科学技术，建立能源和资源管理体系以应对可持续发展的挑战。

近日，学院王景阳助理教授、朱嘉教授与现代工程与应用科学学院郭少华教授团队合作在Advanced Materials期刊发表了题为“Universal design strategy for air-stable layered Na-ion cathodes toward sustainable energy storage”的研究成果，通过第一性原理计算深入研究了O3型钠离子电池正极的空气失效的反应机理，提出了基于键离解能的材料空气稳定性预测模型，建立了提高钠离子电池层状氧化物正极空气稳定性的普适性材料设计策略，为降低钠离子电池材料及电芯在大规模生产制造中的能耗与碳排放提供了有效解决方案。

研究背景

钠离子电池凭借其资源丰富且分布广泛等优势，有望在大规模储能等应用领域成为资源紧张的锂离子电池的低成本可持续替代技术。然而，到目前商业化程度最高的钠离子电池正极材料，即O3型层状氧化物，存在较严重的空气不稳定问题，在大规模生产中需要长期使用干燥房进行环境控制，不仅显著增加了钠离子电池的生产制造成本，也使得其能源消耗和温室气体排放大幅飙升，违背了钠离子电池可持续储能的目标。虽然此前有部分研究工作针对特定材料组分提出了一些针对空气稳定性的改善策略，但对空气稳定性与材料化学组分之间的相关性仍欠缺本质理解，因此尚未建立具有普适性的材料设计策略。

文章要点

作者首先通过第一性原理计算，深入研究了O3型钠离子电池正极的空气失效的反应机理，提出由水分子、氧气、二氧化碳参与的协同反应在热力学上具有最低的反应能，并且该反应能与材料的化学组分密切相关。针对这种相关性，作者进一步提出了d²_OH/V和bond dissociation energy（BDE）两种对材料空气稳定有预测能力的特征描述符，其线性相关系数分别达到了0.97和–0.90，实现了对材料空气稳定性的快速预测。同时，作者通过对材料电子结构变化进行深入研究，揭示了不同化学组分对材料空气稳定性影响的本质原因。

图1. 层状氧化物正极材料空气稳定性的预测模型及其材料电子结构机理

基于理论预测模型，作者在多种O3型层状材料体系中进行了材料设计合成与结构、电化学验证，证实了理论模型的准确性与普适性。同时作者对具有商业化应用前景的Ni、Fe、Mn三元正极材料进行了针对空气稳定性的组分优化，实现了在空气中暴露3天和在密闭空气环境中存储30天电化学容量不衰减的优异性能。

图2. 不同体系中的模型实验验证及空气稳定的钠离子电池正极材料设计

最后，作者基于真实生产数据，针对2 GWh规模的钠离子电池生产线进行了能耗与碳排放计算，结果显示如应用优化后的正极材料，每年可减少4088627 kWh的能源消耗，对应了近2200吨的二氧化碳减排。当前钠离子电池正处于推进其大规模生产的关键时期，本工作为通过工艺简单的组分设计调整材料空气稳定性提供了有效的理论指导和实验基础，大大降低了钠离子电池的生产制造成本和二氧化碳排放，从而有助于实现清洁能源储能的可持续发展与碳中和目标。

图3. 层状正极空气稳定性机制及大规模生产的能耗与碳足迹

论文信息

H. Li, J. Wang, S. Xu, A. Chen, H. Lu, Y. Jin, S. Guo, J. Zhu, Universal Design Strategy for Air-Stable Layered Na-ion Cathodes towards Sustainable Energy Storage. Adv. Mater. 2024, 2403073.

DOI: 10.1002/adma.202403073

https://doi.org/10.1002/adma.202403073