鋰離子電池應(yīng)用越來越貼近百姓生活，但地球上鋰資源十分有限，且開采成本高。開發(fā)一種替代電池成為各國科學(xué)家努力的重要方向。南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊(duì)合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展，使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池，相關(guān)成果發(fā)表。鈉資源豐富，開采費(fèi)用僅為鋰的百分之一，因而鈉離子電池的研發(fā)成為科研人員爭相“開墾”的領(lǐng)域。而層狀結(jié)構(gòu)的錳酸鈉正極材料具有理論容量高、價(jià)格低廉及來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，使之成為鈉離子電池正極材料的熱門研究對象。

 

但由于錳酸鈉正極材料的層間距狹窄，充放電過程中，半徑較大的鈉離子在層間遷移時(shí)，會“擠壞”正極材料的結(jié)構(gòu)，成為制約鈉離子電池研發(fā)的關(guān)鍵難點(diǎn)。除層間距外，影響鈉離子電池性能的另一重要因素為層狀結(jié)構(gòu)中的鈉離子含量。不少科研人員嘗試通過各種方法制備出了不同層狀結(jié)構(gòu)的錳酸鈉，但性能指標(biāo)難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

 

夏暉教授團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，與中科院物理所谷林研究員及美國加州大學(xué)圣地亞哥分校孟穎教授合作，在水鈉錳礦層狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，成功制備出兼具大層間距與高鈉離子含量的層狀納米正極材料。

 

這種正極材料制成的電極比容量達(dá)到211.9毫安時(shí)每克，而目前市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時(shí)每克。充放電過程中，這種正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無相變，體積變化僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量保持率高達(dá)94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標(biāo)準(zhǔn)約為80%。正極材料作為電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池的核心，目前商業(yè)化應(yīng)用于電動(dòng)汽車的主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和包含鎳鈷錳酸鋰((Li NixCoyMn1——x——yO2，NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(Li Ni1——x ——yCoxAlyO2，NCA)兩種的三元材料。其中國內(nèi)新能源汽車主流用正極材料為磷酸鐵鋰，比如比亞迪。以特斯拉為代表的新能源汽車企業(yè)主流用正極材料為三元材料。日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)汽車采用的是錳酸鋰正極材料動(dòng)力電池。

電池市場的產(chǎn)能和產(chǎn)量的增加，帶動(dòng)了鋰離子正極材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，《中國節(jié)能與新能源汽車國家規(guī)劃(2012——2020)》中提出，到2020 年動(dòng)力電池能力密度提高到 300 瓦時(shí)/千克以上。目前傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池將無法滿足這一目標(biāo)，企業(yè)必須研發(fā)生產(chǎn)比容量高的新型正極材料。

德國大眾汽車的技術(shù)專家認(rèn)為，未來動(dòng)力鋰電池提升能量密度的主要方案在于正負(fù)極材料的選擇，隨著能量密度的不斷提升，正極材料從三元材料(NCM111 )逐步向高鎳三元材料(NCM 811)過渡，zui后發(fā)展為富鋰材料。多元材料體系中，隨著鎳含量提高，能量密度不斷提升。目前技術(shù)相對成熟的是常規(guī)的NCM111，材料的比容量達(dá)到 158m Ah/g。但是該材料的成本相對較高，而且由于3M 的專利壟斷進(jìn)一步增加了專利使用成本，因此動(dòng)力鋰電企業(yè)為了降低成本和規(guī)避專利問題、同時(shí)為了尋求更高能量密度的材料，逐漸轉(zhuǎn)向了高鎳三元材料NCM523，甚至是NCM622和NCA。動(dòng)力型高鎳多元材料 NCM622 和 NCA 將成為電動(dòng)汽車用鋰電池的首 選正極材料。

為了滿足2020 年動(dòng)力電池能力密度提高到 300 瓦時(shí)/千克以上的目標(biāo)，高鎳三元材料之后，正極材料zui后將朝著富鋰材料方向進(jìn)行發(fā)展。富鋰材料具有大的比容量( ≥250 m Ah /g) 和高的放電電壓( 3. 8 V) ，理論能量密度高達(dá)900 Wh /kg，循環(huán)壽命長、成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn)是未來動(dòng)力電池的理想正極材料。美、日等國提出要在 2020 年下一代鋰離子電池的能量密度達(dá)到 300 Wh/kg，2030 年能量密度則達(dá)到500 Wh / kg。工信部在《中國制造2025》明確提出要建立和健全富鋰層氧化物正極材料 /硅基合金體系鋰離子電池下一代鋰離子動(dòng)力電池和新體系動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)鏈。