鈉離子電池具有原材料豐富、易得，成本低，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在中低速電動汽車、電動自行車、儲能等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。但由于鈉離子具有較大相對原子質(zhì)量及粒子半徑，鈉離子電池較鋰離子電池比能量和比功率偏低，因此開發(fā)高面容量電極是提高電池比能量的有效方法之一。
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒、副研究員鄭瓊帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在鈉離子電池超高面載量電極研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》上。
李先鋒介紹，電極組分的隨意堆疊將在電極上形成高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)。隨著電極厚度增加，這種結(jié)構(gòu)將大幅增加鈉離子在電極內(nèi)部的擴(kuò)散阻力，導(dǎo)致電池比功率較低。
基于非溶劑誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化方法，該團(tuán)隊(duì)成功制備出一種具有低彎曲度指狀孔的超高面容量磷酸釩鈉基電極結(jié)構(gòu)。在新型的電極結(jié)構(gòu)內(nèi)，鈉離子首先沿著指狀孔在電極厚度方向遷移，隨后發(fā)生離子橫向擴(kuò)散，顯著縮短了離子輸運(yùn)路徑；同時，由于鈉離子的有效離子擴(kuò)散速率與彎曲度成反比，鈉離子在低彎曲度指狀孔內(nèi)的傳輸更快，有效提升了鈉離子擴(kuò)散動力學(xué)的常規(guī)極限值。
此外，該團(tuán)隊(duì)將多物理場耦合的有限元模擬分析首次應(yīng)用于鈉離子電池電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其內(nèi)部的電荷傳遞動力學(xué)過程中，獲得了不同彎曲度多孔電極內(nèi)反應(yīng)物濃度、電流密度、極化等的時間和空間分布特性。
理論計(jì)算結(jié)果顯示，低彎曲度多孔電極內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)更均勻，鈉離子傳輸速度更快，進(jìn)而驗(yàn)證了低彎曲度指狀孔電極，特別是高面容量電極在大電流運(yùn)行工況下的電池比功率優(yōu)勢。該研究為高比能量、高比功率鈉離子電池設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新思路，有望推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化。（卜葉 呂志強(qiáng)）
