研究人員改良鈉離子電池結構 提升耐用性至 96.7%容量保持率

研究人員發現通過改變鈉離子電池陰極晶體的形狀，而非改變其化學組成，可以提高鈉離子電池的耐用性。通過減少關鍵晶體尺寸的厚度，研究團隊限制了鈉離子反復進出材料時所產生的內部應力和裂縫。研究人員使用了一種層狀 P2 型陰極材料，Na0.75Ni0.25Mn0.75O2，這種材料因鈉資源豐富且潛在成本低於傳統電池使用的鋰而受到研究。問題在於機械性質。隨著鈉離子在充放電過程中進出陰極，晶體晶格反復膨脹和收縮。

這些變化並不均勻，導致單個晶粒內部產生應力。隨著時間的推移，這種應力可導致裂縫產生，暴露新表面於電解質中，並加速降低電池性能的化學反應。

改良晶粒幾何形狀的影響

由武漢科技大學領導的團隊發現，控制晶體的 c 軸尺寸可以幫助防止這種損害。研究人員並非僅僅將顆粒縮小，而是創造了更薄的稜柱形晶粒，這樣能更均勻地釋放晶格應變。研究小組製造了形態定製的 NaNMO，或稱 MT-NaNMO，並與由相同化學組成製成的傳統樣品進行比較。關鍵區別在於晶粒幾何形狀。定製材料的主要晶粒沿 c 軸約為 200 納米，而傳統材料則約為 800 納米。

X 射線衍射顯示，兩種材料在充放電過程中均經歷了類似的晶體結構變化，這表明改進來自於晶粒如何處理隨之而來的應變。顯微鏡觀察提供了更仔細的對比，顯示較薄的晶粒保持了更穩定的晶格結構和更均勻的應變場，而較厚的晶粒則發展出局部變形和應力。

有限元分析支持了這一發現，顯示降低 c 軸尺寸使機械應力更均勻地分佈於晶粒內。定製材料在電化學測試中還顯示出更快的鈉離子傳輸和更低的電阻。最終結果是顯著改善了循環穩定性。經過 300 次循環後，優化的陰極在高達 5 C 的速率下仍保持 96.7% 的容量。研究人員將鈉離子儲存描述為層狀氧化物材料中的一種重複“呼吸”運動。在較厚的晶粒中，重複的膨脹和收縮可以使應變積累，直到裂縫形成。

縮短脆弱的方向使得應變有更多空間在導致結構損害之前得以耗散。

鈉離子電池的潛在應用

這一方法可能為單純減小整體顆粒大小提供了另一種選擇。較小的顆粒可以更有效地釋放機械應力，但增加的表面積也可能促進電解質的不良反應並降低包裝密度。通過專門針對 c 軸，研究人員專注於與拉伸應力和內部裂縫最密切相關的方向。這或許使陰極設計師能夠在不僅依賴於較小顆粒或化學組成變更的情況下，提高機械穩定性。研究人員還在使用硬碳作為負極的全電池中測試了該材料，其能量密度達到約 218.3 Wh kg-1，並在 300 次循環後保持 92.6% 的容量。

鈉離子電池正被探索用於包括可再生能源和電網規模儲存的應用中，鈉的豐富性有助於減少對更受限電池材料的依賴。這項研究表明，控制晶體幾何形狀可能成為改善鈉離子電池長期耐用性的另一個工具。