【科技日报】非晶化材料可实现钠离子电池快充快跑
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◎本报记者 韩 荣
钠离子电池凭借原料丰富、成本低廉、安全性高的优势，被视为大规模储能、低温动力设备等场景的理想替代方案。然而，钠离子电池长期受制于两大难题：钠离子迁移效率低导致充电慢，电极材料体积膨胀剧烈导致循环寿命短。我国科研人员的新成果为破解这两大难题提供了新思路。
日前，中北大学能源与动力工程学院教授梁君飞团队在国际期刊《先进材料》发表相关研究成果。团队将超小超薄非晶理念运用于钠离子电池电极材料设计，有效解决了钠离子电池在快充条件下动力学缓慢和体积膨胀严重的难题。
与当前占储能市场主流的锂离子电池相比，钠离子电池具有独特优势。梁君飞介绍，我国钠资源储量丰富，且钠离子电池无需依赖锂、钴等稀有金属，成本较锂电池降低20%—30%。
为突破钠离子电池应用的瓶颈，研究团队将目光锁定在红磷材料上。梁君飞介绍，红磷不仅理论容量极高，且成本低廉，是理想度较高的负极材料。然而，它也存在明显短板。原始红磷作为负极材料时，在充放电过程中会产生超400%的剧烈体积膨胀，如同反复拉伸的橡皮筋最终断裂，进而导致材料粉化失效。此外，其极低的电导率严重制约了高电流密度下的充放电速度，堪称“电力传输的绝缘体”，这极大限制了红磷材料的实际应用。
“传统方式就像给电池装了个狭窄的‘离子通道’和脆弱的‘存储仓库’，导致电池既跑不快又容易坏。”梁君飞解释。团队研究发现，传统晶体材料的刚性结构正是问题的根源，而原子排列无序的非晶材料，恰好拥有如海绵般的结构适应性，这或许能成为破题的关键。
为此，研究团队打破传统晶体材料优化的思维定式，提出“非晶化+超薄化+超小尺寸”的创新设计思路，通过液相剥离技术，将红磷精准“剪”成横向尺寸约2纳米、厚度仅0.9纳米的超小薄片。
“这好比把坚硬的石块磨成超细海绵粉，既扩大了吸附面积，又具备了弹性。”论文共同第一作者、中北大学能源与动力工程学院副教授张耀辉说，非晶结构中原子的无序排列形成了大量“活性陷阱”，为钠离子提供了更多附着位点；而超薄厚度，将钠离子的传输距离压缩到极致，就像把马拉松赛道改成百米冲刺，传输速率显著提升。
测试显示，该复合电极钠离子吸附能低、赝电容贡献高，显示出其和钠离子极强的反应性，这从根本上解决了钠离子电池在快充条件下动力学缓慢的难题。
为进一步提升导电性，团队将非晶红磷与高导电MXene材料复合，构建起三维蜂窝状网络结构。这种结构如同“离子高速公路”，通过增强异质界面的内建电场，从根本上突破了红磷导电性差的瓶颈，大幅降低钠离子传输阻力。
严苛测试结果充分印证了这项技术的优越性。在10安培每克的高电流密度下，电池仍保持835毫安时每克的高容量，容量相当于普通锂电池的两倍以上；在5安培每克电流密度下循环1000次后，电池容量维持在1447毫安时每克，性能处于国际同类研究领先水平。这意味着该电池既能“快充快跑”，又能经久耐用，十分契合储能电站、新能源汽车等场景的应用需求。
更值得关注的是，该技术具备良好的产业化基础。“我们采用的液相剥离和常规退火工艺，可直接融入现有电池生产线，无需大规模改造设备。”梁君飞介绍，红磷作为低成本工业原料，有助于钠离子电池在成本与能量密度上形成双重优势。目前团队已启动规模化制备的探索工作，重点提升电极首次库仑效率，同时与电池企业对接，推动技术的实用化转化。
来源：科技日报
