中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术实验室郭玉国

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中国科学院化学研究所郭玉国：一种层状−隧道共生结构的高性能钠离子电池正极材料

随着化石燃料的快速消耗，二氧化碳的大量排放所导致的温室效应和环境问题也越来越严重，发展大规模的高效清洁储能技术受到各国科研工作者的关注。近年来钠离子电池作为下一代大规模储能器件由于全球分布广泛的钠资源，价格低廉的钠盐成本以及与锂离子电池类似的化学性质成为研究热点。其中，层状过渡金属氧化物NaxMnO2材料，因其只含有地球丰度高的元素并拥有高理论容量是目前最有希望实现商业化的钠离子电池正极材料之一。P2型Na0.7MnO2正极材料理论容量可高达182.0 mAh g−1，但是材料中Mn3+含有高自旋的t2g3eg1电子态结构会发生姜泰勒晶格畸变效应使材料循环稳定性大幅度降低；而且因为其狭窄的二维钠离子扩散通道的限制作用，其倍率性能也会受到严重的影响。与此相比，隧道结构Na0.44MnO2正极材料具有较好的结构稳定性以及可供钠离子快速扩散的较大S型通道，所以具有优异的的循环稳定性和倍率性能。但是其较低的理论比容量 (121.4 mAh g−1) 严重影响了其实际应用. 如何通过合理的结构调制策略同时实现两者的优势以及深入分析其协同作用机理就显得尤为关键。

近日，中国科学院化学研究所郭玉国研究员和四川大学化学工程学院郭孝东副教授合作在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表了题为“A Layered–Tunnel Intergrowth Structure for High-Performance Sodium-Ion Oxide Cathode”的相关研究成果。博士研究生肖遥和王鹏飞（共同一作）通过合理的结构调制策略设计出了一种层状隧道共生结构的高性能钠离子电池正极材料。此类材料不仅继承了Na0.7MnO2正极材料高容量的优势，其相应的电极在0.2C下能够发挥198.2 mAh g−1的比容量而且相应的能量密度能达到520.4 Wh kg−1，并保留了隧道结构Na0.44MnO2正极材料的优异的循环稳定性和倍率性能。同时，其协同作用机理也通过电化学方法结合原位XRD手段进行了详细并深入的分析。