钠离子电池技术或将再进一步？《Science》首发钠离子电池研究成果

钠离子电池论文首次在《Science》发表

11月6日，由中科海钠创始人兼董事长胡勇胜研究员主导撰写的钠离子电池论文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界顶级学术刊物《Science》上发表。该研究提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法，并在实验上证实了该方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和制备提供了理论指导。据悉，这是《Science》创刊百余年来首次刊登钠离子电池领域相关文章，不仅表明了国际主流科学界对该技术突破的重视，也佐证了我国钠离子电池前沿技术已比肩国际最顶尖水平。该研究参与人还包括中国科学院物理研究所陆雅翔副研究员，法国波尔多大学Claude Delmas教授和荷兰代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker教授（共同通讯作者）等。

发展背景

近年来，随着全球化学电池市场的快速发展和人们对环境问题的日益重视，二次电池（又称可充电电池或蓄电池）这种能实现电能与化学能转化的新型储能技术，在新一轮能源变革中受到广泛关注。其中，锂离子电池虽然已成为占据全球电化学储能规模市场80%份额的“绝对一哥”，但由于其资源的稀缺性和较高昂成本，产业发展面临“天花板”，而资源储量丰富、成本低廉的钠离子电池，便成为了极佳的补充。然而，钠离子电池的性能却受到可用电极材料的限制，尤其是以层状氧化物材料为主的正极材料的限制。

自1980年以来，锂离子层状氧化物（LiMO₂）都是锂离子电池的主要正极材料，其堆积构型为O型（Octahedral，八面体）。与之相比，钠离子层状氧化物（NaxMO₂）却具有O和P（Prismatic，三棱柱）两种构型，其中最常见的两种结构分别为O3和P2（数字代表氧最少重复单元的堆垛层数）。这两种结构的层状氧化物作为钠离子电池的正极材料时各有优势，但目前的技术手段仅可实现对合成出的材料进行物理表征以确定具体构型，无法直接预测材料的堆积结构，这严重阻碍了层状氧化物正极材料的性能设计和新型正极材料的发现。

科研动态

一般而言，O3相正极材料具有较高的初始Na含量，能够脱出更多的钠离子，具有较高的容量，适用于低速电动车、大规模储能领域；P2相正极材料具有较大的Na层间距，能够提升钠离子的传输速率和保持层状结构的完整性，具有优异的倍率性能和循环性能，在充电桩、调频、数据中心等快充场景应用更具优势。在实际工业化产品开发中，如果能提前设计材料构型，便能精准适配和打造最优结构的钠离子电池化学体系，大大提高研发效率。

由胡勇胜带领的中科院物理所和中科海钠研究团队是全球最早关注该领域研究的团队之一。2016年，中国科学院物理研究所博士戚兴国（现中科海钠材料部经理）创新性地引入等效半径（等效半径即加权半径，是将过渡金属的半径乘以该过渡金属的含量）的概念来预测堆叠机构，为该课题研究首开思路。

后续研究时，胡勇胜团队在总结不同系列层状氧化物结构参数的过程中发现：O3和P2两种结构材料的Na层间距（d(O-Na-O)）和M层间距（d(O-M-O)）的比值有一个临界值1.62，比值高于1.62通常形成P2相，低于1.62易形成O3相。通过提高钠含量可获得O3相；反之，降低钠含量可获得P2相。

阳离子电位及其在钠离子层状氧化物中的应用（数据来源）

基于此，本次工作研究人员引入“阳离子势”，来表示阳离子电子密度及其极化率的程度，捕捉层状材料的关键相互作用，使预测堆积结构成为可能。通过合理设计和制备具有改良性能的层状电极材料，证明了堆叠结构决定材料的特性，为碱金属层状氧化物的设计提供了有效解决方案。

业内专家表示，该研究揭示了钠离子层状氧化物中O3型结构和P2型结构之间的竞争关系，提出了一种简单的预测堆叠结构的方法，优化了钠离子电池的制造环节，为进一步提高钠离子电池体系储能特性提供了精准指导。

产业化进展

中科院物理所研究员、中科海钠创始人兼董事长胡勇胜研究员作为本工作的主要研究成员之一，拥有十数年钠离子电池领域研发经验，且为该项技术的商业成果转化提供了丰富的产业化技术思路和应用平台。其创立的中科海钠成立仅三年，便已实现了钠离子电池的大规模量产，月产能突破30万只，并拥有数十项钠离子电池材料组成、结构、制造和应用的核心专利。

关于此次的研究成果在《Science》上发表，胡勇胜研究员表示，过去几年里，中科院物理研究所和中科海钠团队，就钠离子层状氧化物两种构型形成的影响因素展开了大量实验研究，并积极探索其在钠离子电池应用中的场景落地。作为专注于新一代储能体系钠离子电池研发与生产的高新技术企业，中科海钠希望能同更多行业内研究机构及企业展开交流合作，以市场需求倒推产品开发，推动钠离子电池的产业化应用！