吉林大學杜菲課題組超長壽命的鈉離子對稱電池：新型鈉超離子導體電極材料磷酸釩鈦鈉的儲能機理

【引言】

鋰離子電池在大規模儲能領域（電動汽車和儲能電站）上的迅猛發展，引發了人們對鋰資源可持續發展的擔憂。鈉離子電池由於其與鋰離子電池相似的工作原理以及鈉資源的廣泛分布，成為下一代大規模儲能系統的有力競爭者。但由於鈉離子的半徑較大，導致嵌入反應過程中引起材料主體晶格的應力變化較大，容易造成晶體結構坍塌，同時體積較大的鈉離子在晶格間隙中擴散困難，致使鈉離子電池的循環穩定性和倍率性能較差。因此，要想實現鈉離子電池的實際應用，設計與開發高倍率、長使用壽命的鈉離子全電池成為鈉離子電池研究的關鍵問題。

【成果簡介】

近日，吉林大學物理學院新型電池物理與技術教育部重點實驗室杜菲（Fei Du，通訊作者）教授組報道了一種新型鈉超離子導體（NASICON）材料磷酸釩鈦鈉作為鈉離子對稱電池電極材料取得優異的電化學性能，研究以題為「Sodium Vanadium Titanium Phosphate Electrodes for A High-Power Symmetric Sodium-Ion Battery with Long Lifespan」的研究論文發表在Nature Communications（doi:10.1038/ncomms15888 )上。

【本文亮點】

【圖文導讀】

（註：以下所有的插圖均來自文後文獻）

(c) 離子擴散係數分析。陽極和陰極的離子擴散係數分別為2.12×10-10、2.19×10-10cm2 s-1。

(a)(d) 首次充放電過程中Ti的XANES圖譜，表徵電化學過程中Ti的價態變化。首次充電過程Ti的價態沒有發生變化，隨著放電進行到3.1-2.0 V，Ti的吸收峰向低能量處移動，最終與Ti2O3吻合。繼續深入放電，Ti的吸收峰不再移動，預示著在2.0-1.5 V，Ti不再具有電化學活性

(e)(h) 首次充放電過程中V的XANES圖譜，表徵電化學過程中V的價態變化。首次充電過程，V的吸收峰向高能處移動，最終與VO2吻合，首次放電到3.1 V過程，V的吸收峰向可逆的低能處移動，重新與V2O3吻合。繼續放電過程到2.0 V，V的吸收峰未發生移動，說明V在該電壓區間沒有電化學活性，深入放電到1.5 V，V的吸收峰向更低的能量處移動，最終與VO的近邊吻合。

【小結】

作者通過不同過渡金屬在NASICON結構中電化學反應的電位不同，設計了具有陽極屬性和陰極屬性的對稱電極材料，並將其組裝成鈉離子對稱全電池。由於該電池的正負極具有很好的兼容性以及NASICON材料本身良好的結構穩定性，獲得了具有超長的循環壽命和卓越的倍率性能的鈉離子對稱全電池體系。同時，作者通過同步輻射和原位X射線近邊吸收測試對該材料的電化學反應機理進行深入探究，為更好的理解鈉超離子導體系列材料的電化學過程提供了參考。

本導讀由論文第一作者杜菲課題組王東雪撰稿，材料人新能源組背逆時光整理編輯。

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