钠离子电池关键电极材料与反应机制

随着现代社会的不断发展，人们对电化学储能的需求量持续增加。在众多的电化学储能技术中，锂离子电池已在便携式电子设备和新能源汽车市场中占据垄断地位，并在电化学储能领域展示出良好的应用前景。然而，锂的低丰度和潜在的安全隐患难以满足大规模应用和可持续发展的需求。开发储量丰富、成本低廉、安全可靠的可充电池体系，并匹配高比容量、可快充、长循环寿命的电极材料，获得高比能高功率储能系统是当今电化学能源存储和转化的发展方向。

钠锂同族，具有很多相似的性质，且钠资源丰富、分布广泛、价格低廉，因而钠离子电池非常适用于低速电动交通和大规模可再生能源储存。但是由于钠离子较大的半径，导致充放电过程中的材料结构稳定性、电极/电解质界面稳定性以及钠离子传输动力学均存在不足，造成循环寿命和快速充放能力欠佳。理解钠离子电池中的关键电极材料与储钠机制，掌握钠离子/电子协同输运规律，揭示电极材料性能衰退本质原因是当今钠离子电池发展中亟待解决的问题。

陈军，1967年生，1985—1992年在南开大学化学系学习，先后获学士、硕士学位，并于1992年留校工作；1996—1999年在澳大利亚Wollongong大学材料系学习，获博士学位；1999—2002年在日本大阪工业技术研究所任研究员。自2002年任南开大学教授、博士生导师，2017年当选中国科学院院士，2020年当选发展中国家科学院院士。现任南开大学副校长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。从事能源化学及高能电池的研究。项目针对钠离子电池电极材料的钠离子传输扩散速率慢、反应活性低和循环寿命不足等难点科学问题，开展钠离子电池关键电极材料与反应机制的探索研究，并取得了一系列原创性成果，为高性能钠离子电池电极材料及全电池开发提供了重要理论和实验支撑。

现代社会快速发展对电化学储能的需求不断增加，锂离子电池已实现产业化，但还存在资源短缺、安全隐患等问题。钠离子电池因钠资源丰富、分布广泛、价格低廉、安全可靠等优势，被认为是具有潜力的下一代新型电化学储能技术。然而，钠离子半径较大，导致其传输扩散速率慢，电极材料反应活性低，造成可逆容量低、倍率性能欠缺和循环寿命不足。

针对上述科学难题，项目提出了钠离子电池中关键电极材料的微纳结构/核壳结构设计原则以及电压诱导下电化学反应机制的调控方法，构筑具有超快钠离子输运能力金属硫族化合物负极和聚阴离子型正极以及基于无机-有机杂化钠盐的对称钠离子电池，解决了电极材料难以同时实现高倍率能力和长周期循环稳定性的难题，为拓展钠离子电池电极材料的选择以及全电池的构筑提供了理论依据和实践方向。项目主要创新点如下：

1.针对钠离子在正极材料体相中运输能力差而导致的动力学缓慢问题，提出功能化碳包覆的纳米核壳结构设计，通过调控材料尺寸和碳包覆层厚度，优化孔隙率和结晶度，构筑了离子扩散快、电子传输阻力小的纳米复合电极，实现了钠离子电池的快速充放电和稳定循环。(www.xing528.com)

2.针对金属硫族化合物/碳复合负极在电化学氧化还原过程中体积变化剧烈、电压极化严重、中间产物与碳酸酯类电解液存在副反应的难题，提出了电压诱导下的电化学反应精准调控方法。通过微纳结构设计，提升钠离子传输速率；采用醚类电解液，降低钠离子嵌入势垒；探索转化反应与插嵌反应中的电压/能效关联规律，实现晶体结构中钠离子快速扩散，构筑了具有高稳定性和超快钠离子输运能力的廉价电极材料。

3.针对无机电极材料比容量不足和有机电极材料易溶解于电解液的难题，提出了“无机-有机杂化”策略构筑对称钠离子电池，通过无机-有机杂化理论，利用离域兀键，设计合成了一系列具有纳米结构的无机-有机杂化材料，将弱极性分子成盐转变为强极性离子化合物，抑制了电极材料在电解液中的溶解，提升了电化学反应稳定性。

项目针对钠离子电池中的关键电极材料及其储钠机制开展研究，探索钠离子/电子协同输运规律，揭示电极材料性能衰退本质原因，提出电极材料的微纳结构/核壳结构设计原则，通过微纳自组装复合结构、纳米核壳结构的构筑，有效缩短了钠离子扩散路径，加快了电子传输速度。该项目将钠离子电池研究与国家需求相结合，作为南开大学主动服务京津冀协同发展战略的重要举措，“南开大学-沧州渤海新区绿色化工研究院”已投入运行，项目团队的“钠离子电池规模化制备技术”已入驻，并获授权中国发明专利6项，将为钠离子电池关键材料与技术的实用化进程提供支持。

项目在电池研究领域产生了重要影响，微纳/核壳结构材料设计策略和电压诱导反应机制调控方法在报道后被多个课题组采用，收到国内外同行的高度评价和广泛引用，有力推动了化学、能源与材料等学科之间的交叉和融合。项目在2020年获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（已公示）。项目第一完成人陈军教授2017年当选中国科学院院士，2018年荣获“全国五一劳动奖章”、中国侨界杰出人物提名奖，2020年当选发展中国家科学院院士、荣获全国创新争先奖状。程方益获国家杰出青年科学基金资助；张凯、朱智强入选国家四青人才。

成果完成人：陈军、张凯、陶占良、程方益、轷喆、王诗文、段文超、朱智强