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近日，原子能院核物理研究所中子散射研究室設計出一種用于鈉離子電池，兼具高容量、優(yōu)異循環(huán)和快充性能的正極材料。該研究成果申請發(fā)明專利1項，并發(fā)表于能源材料國際期刊《ACS Applied Energy Materials（ACS應用能源材料）》，文章第一作者為高健翔研究實習員，通訊作者為郭浩副研究員、孫凱研究員和陳東風研究員。

為助力國家能源消費結(jié)構(gòu)改善，促進太陽能、風能等清潔能源的高效利用，發(fā)展低成本、高性能的鈉離子電池至關重要，而鈉離子電池研發(fā)的關鍵是高性能層狀氧化物。P2型層狀氧化物具有便捷的鈉離子傳輸路徑，適合應用于快充鈉離子電池中。目前常用的P2型二元鎳錳材料（NM）存在一定缺陷，在充電到高電壓時會發(fā)生復雜的結(jié)構(gòu)相變和較大的體積變化，導致循環(huán)和快充性能差。

為解決NM材料存在的缺陷，項目團隊研究人員綜合考慮元素的功能特性與成本因素，選取了鎳、銅、鐵、錳、鈦五種元素，創(chuàng)新性地合成了一種具有優(yōu)異快充性能，并同時兼具優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性與高容量的P2型五元材料（NCFMT）。經(jīng)研究證實，該材料在5分鐘快充條件下容量保持率高達62%，在2C（放電倍率）條件下進行1000周循環(huán)后容量保持率達到89%，循環(huán)性能在所有已公開報道的材料中達最優(yōu)。該材料同時具有120mAh/g的比容量。研究人員還利用中子衍射等手段研究了其在充放電過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，發(fā)現(xiàn)材料始終保持單相P2型結(jié)構(gòu)，僅有約1%的體積應變，從微觀結(jié)構(gòu)演變角度解釋了宏觀性能提升的原因，為后續(xù)鈉離子電池的中試提供了重要材料基礎。

NCFMT材料與NM材料在充放電過程中的結(jié)構(gòu)演變及循環(huán)容量圖對比

該工作得到了國家自然科學基金委-青年基金的資助，研發(fā)過程中使用的中子束流由中國先進研究堆（CARR）提供。未來，項目團隊將繼續(xù)利用CARR中子科學平臺，開展鈉離子電池的中試和充放電機理研究。