鈉離子電池在體積能量密度取得重要進(jìn)展 | 進(jìn)展

鈉離子電池（NIBs）憑借資源豐富、成本低廉的優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能和電動重卡領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，這些應(yīng)用場景對電池的空間和體積要求極高，這對電池的體積能量密度提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在眾多負(fù)極材料中，合金類負(fù)極（如錫）因其高理論容量和高壓實密度，被視為極具前景的候選材料。相比金屬鈉負(fù)極，錫負(fù)極更安全、易加工，且兼容現(xiàn)有生產(chǎn)線，但最大的挑戰(zhàn)是錫負(fù)極在循環(huán)過程中面臨劇烈的體積變化（約420%），導(dǎo)致顆粒粉化、電接觸喪失，進(jìn)而形成電化學(xué)失活的“死錫”，造成活性物質(zhì)利用率降低和容量迅速衰減。盡管此前報道的諸多改性策略能夠緩解其體積膨脹而提升循環(huán)穩(wěn)定性，但往往以犧牲容量發(fā)揮和首周庫侖效率為代價，且材料制備復(fù)雜，成本提高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，錫的莫氏硬度低，極易在漿料制備中發(fā)生自發(fā)團(tuán)聚，同樣限制了其規(guī)模化制備。

基于上述挑戰(zhàn)，近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組胡勇勝研究員和謝飛副研究員團(tuán)隊提出了一種構(gòu)建單壁碳納米管（SWCNT）導(dǎo)電限域網(wǎng)絡(luò)的策略，成功攻克了錫基負(fù)極的穩(wěn)定性難題。研究團(tuán)隊利用單壁碳納米管與微米錫晶面之間的強(qiáng)吸附作用，構(gòu)建了堅固的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)在電極制備階段充當(dāng)“過程控制劑”，有效抑制了錫顆粒的團(tuán)聚，實現(xiàn)了高活性物質(zhì)負(fù)載（92 wt.%）的電極制備。通過多尺度表征技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)深入研究了微米錫顆粒在循環(huán)過程中的形貌演化過程，并首次建立了拓?fù)溲莼c電化學(xué)性能間的定量化正相關(guān)關(guān)系。研究揭示了錫負(fù)極經(jīng)歷充分拓?fù)湫蚊惭莼潜ＷC電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的必要條件，而加固交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的支撐作用可以有效維持形貌演變過程中顆粒間連續(xù)的機(jī)械與電接觸，確保了持續(xù)的高活性物質(zhì)的利用率，從而兼顧高容量的發(fā)揮與長循環(huán)穩(wěn)定性。

基于此策略，制備出的微米錫負(fù)極在0.1 A/g下具有789.4 mAh/g的高可逆容量，并在2 A/g的大電流下循環(huán)6000次后，容量保持率仍高達(dá)87.6%。基于公斤級放大制備的微米錫負(fù)極，制備了安時級鈉離子電池，實現(xiàn)了超過453 Wh/L的高體積能量密度，并在4C倍率下實現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)。此外，該電池還展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能，綜合指標(biāo)優(yōu)于商業(yè)磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池。這項工作為設(shè)計合金負(fù)極提供了新思路與新視角，并為開發(fā)下一代高能量密度鈉離子電池提供了一條可擴(kuò)展的實用化路徑。

圖: 錫基安時級軟包電池的制備工藝及電化學(xué)性能。

該工作成果以“Durable alloy anode for Na-ion batteries with high volumetric energy density”為題發(fā)表在《Nature Energy》上。E01組博士生陳釗、博士李鈺琦為本文第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院儲能專項，中國科學(xué)院前瞻戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項，中國科學(xué)院國際合作伙伴計劃，京津冀基礎(chǔ)研究合作專項和第十屆中國科協(xié)青年人才托舉工程的支持。

編輯：Zoey