西安交大最新成果：在高比能电池、钠离子正极材料和锂离子电池粘合剂领域取得新突破

2022-04-22 11:42:29 来源：交大高能科技有限公司

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简介：在国家“双碳”战略需求的背景下，钠离子电池（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）凭借钠资源的低成本优势有望在未来规模储能领域实现广泛的应用。

在国家“双碳”战略需求的背景下，钠离子电池（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）凭借钠资源的低成本优势有望在未来规模储能领域实现广泛的应用。作为限制钠离子电池能量密度的关键部分，正极材料的能量密度和循环寿命一直备受广大科研工作者的关注。典型的层状氧化物正极材料在实际应用过程中一直面临着钠空位有序和大体积相变的基础科学问题，这直接了限制了这类正极材料的电化学性能和能量密度。

鉴于此，西安交通大学王鹏飞教授课题组提出利用Li+、Mg2+、Ti4+三种特定功能离子的协同效应有效解决了P2型正极材料（全国锂电池正极材料制备与实验室仪器装备）低电压区域钠空位有序重排和高电压区域大体积相变的难题，设计的正极材料工作电压为3.57 V，可逆比容量达到134 mAh g–1，与硬碳负极匹配的全电池能量密度达到296 Wh kg–1。同时，王鹏飞教授团队通过高通量合成实验绘制层状相的热力学稳定相图，研制出一种P2和O3双相结构共生的新型层状正极材料，两相界面的“互锁效应”有效减小了材料充放电过程中结构应力和晶格错位概率，缓解了大尺寸钠离子脱嵌过程中的相变体积变化，得到了一种可逆比容量为144 mA h g–1，能量密度高达514 Wh kg–1的新型钠离子电池正极材料。

相关研究成果以《多离子协同抑制P2型正极大体积相变提高钠离子电池性能》（Mitigating the Large-Volume Phase Transition of P2-Type Cathodes by Synergetic Effect of Multiple Ions for Improved Sodium-Ion Batteries）为题于近日在线发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。同时以《一种合理的双相调控策略实现高性能钠离子电池层状正极》（A Rational Biphasic Tailoring Strategy Enabling High-Performance Layered Cathodes for Sodium-Ion Batteries）为题于近日在线发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上。论文的第一作者均为电气学院承志伟博士，西安交通大学王鹏飞教授、肖冰教授、滑纬博研究员以及中科院化学研究所郭玉国研究员为共同通讯作者，论文第一单位均为西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心。

高比能锂离子电池粘合剂

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，也是体现国家竞争力的标志性产业。新能源汽车基于驱动技术的重大转型，是汽车产业对能源安全、气候变化和结构升级的重要突破口。近年来，以电动汽车为代表的高新技术领域对锂离子电池的能量密度、使用寿命提出了更高的技术需求，亟需开发新型高比容电极材料，解决续航里程焦虑问题。硅负极理论容量高达4200 mAh/g，十倍于传统石墨负极，被认为是新一代高比能锂离子电池负极的理想选择。然而硅负极在充放电过程中存在着巨大的体积膨胀（>300%），由此产生的内应力易导致硅颗粒的严重粉化和界面膜的不稳定，严重阻碍了其实际应用。设计新型聚合物粘合剂用于硅负极被认为是一种缓减其体积膨胀、维持其结构稳定的有效方法，受到了研究人员的广泛关注。然而，目前已报道粘合剂易在大应力下产生分子链滑移，引起电极结构破坏，最终导致电池容量快速衰减。

受天然抗疲劳肌联蛋白高效应力耗散现象启发，西安交通大学宋江选教授团队报道了一种梯度氢键聚合物粘合剂用于解决高比容硅基负极大体积膨胀导致的应力破坏。研究人员利用具有超支化结构的单宁酸和聚(丙烯酸-co-2-羟乙基丙烯酸酯)构建了具有高效应力耗散功能的水系粘合剂。当应用于硅基负极时，该体系存在的多级氢键（-2.88 kcal mol-1~ -10.04 kcal mol-1)可以连续解离，高效地进行能量/应力耗散，从而避免了大应力导致的结构破坏，有效解决硅负极的大体积膨胀问题，显著提升其循环稳定性。所制备的2 Ah NCM/Si-C软包电池700次循环后容量保持率高达80.2%，有力地证明了该梯度能量耗散型粘合剂的实用性。研究人员进一步通过变温红外光谱、核磁共振等表征方法并结合有限元模拟揭示了梯度氢键的演化和能量耗散机制。相关成果发表在国际知名期刊《先进材料》（Advanced Materials）上，西安交通大学材料学院博士生虎琳琳为文章第一作者。在此基础上，团队进一步基于动态二硫键的交换作用发展了兼具自修复功能和应力耗散功能的双功能聚合物粘合剂，实现硅基负极裂纹的快速自修复，相关成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。新型自适应智能粘合剂的开发为高比容电极材料的广泛应用奠定了坚实基础。

上述成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，通讯作者为西安交通大学材料学院宋江选教授，论文合作者包括材料学院Goran Ungar教授、邓俊楷教授、张启路副教授。论文表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。

宋江选，西安交通大学教授、博士生导师、国家级青年项目入选者、陕西省“青年百人”、西安交通大学“青年拔尖人才”。近年来，主持/参与了国家自然科学基金项目，美国能源部及世界500强企业资助的多个重大攻关项目，在硅负极及其粘合剂、锂-硫电池、锂离子电池、钠/钾离子电池、超级电容器等研究领域取得一系列创新性成果，受到美国能源部(US DOE), Materials Views, Angew. Chem.等官方媒体重点报道。在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等权威期刊发表论文30余篇，其中影响因子大于10的论文9篇。7篇论文入选ESI高被引论文(1%)，3篇论文入选ESI热点论文(0.1%)，1篇论文被评选为VIP论文，累计引用3000余次，获授权专利4项，含2项PCT国际专利。

交大高能为高能数造旗下品牌，孵化于西安交大长春3D打印创新中心。高能数造（西安）技术有限公司是全球新能源电池（中国新能源材料与器件第四届学术会议）3D打印技术的先行者和创导者，更是国内首家推出电池浆料专业级3D打印设备的公司。TOP.E高能数造以“数造让电池更高能、让产品更高能”为使命，致力于用3D打印技术为研制更高能的新能源电池提供数字智造解决方案，帮助全球用户使用数字智造技术赋能“双碳”事业。