鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的工作機(jī)理；鈉儲量豐富，成本低廉，有望替代鋰離子電池，在動力電池和儲能系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。然而，鈉離子比鋰離子大且重，導(dǎo)致鈉離子的傳輸和反應(yīng)動力學(xué)緩慢。因此，亟需設(shè)計具備快速反應(yīng)動力學(xué)的鈉離子電池的電極材料。
近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院米宏偉副教授團(tuán)隊在鈉離子電池儲能領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，在期刊《Nano Energy》上發(fā)表了題為“Fast Ion Diffusion Kinetics Based on Ferroelectric and Piezoelectric Effect of SnO2/BaTiO3 Heterostructures for High-rate Sodium Storage”的研究論文。該論文巧妙地設(shè)計了SnO2/BaTiO3負(fù)極材料，結(jié)合原位XRD和掃描電化學(xué)顯微鏡等先進(jìn)技術(shù)對BaTiO3的鐵電性和壓電性形成的局部微電場對實現(xiàn)快速反應(yīng)動力學(xué)和高效儲鈉進(jìn)行深入探討。深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院米宏偉副教授為論文唯一通訊作者，化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院2019級碩士研究生李蕊為論文的第一作者，深圳大學(xué)為唯一完成單位。
在合金材料（P、Si等）中引入BaTiO3可有效提升電極材料的反應(yīng)動力學(xué)，以往的研究認(rèn)為這是BaTiO3壓電效應(yīng)的結(jié)果，忽視了BaTiO3鐵電效應(yīng)的作用。在此，米宏偉副教授團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)BaTiO3對電極材料反應(yīng)動力學(xué)的提升來自于兩個方面：一方面，由于BaTiO3的鐵電性，在充放電過程中原位形成局部微電場，可加速鈉離子傳輸；另一方面，BaTiO3可以利用合金化反應(yīng)的體積效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力形成壓電勢，可調(diào)控鈉離子傳輸。
該項工作首次提出BaTiO3的鐵電效應(yīng)和壓電效應(yīng)產(chǎn)生的局部微電場在促進(jìn)鈉離子擴(kuò)散和提高SnO2負(fù)極的倍率性能方面起著突出的作用，特別是鐵電性的作用不可忽視。實驗結(jié)果證實鐵電效應(yīng)來自于外部電場對BaTiO3的極化使其電荷分離，其引起的局部微電場起主導(dǎo)作用，而壓電效應(yīng)來自于SnO2體積膨脹產(chǎn)生應(yīng)力對BaTiO3的擠壓可增強(qiáng)該微電場。該研究闡明了即使體積效應(yīng)作用下的BaTiO3的極化方向是任意的，SnO2/BaTiO3復(fù)合材料仍能加速鈉離子傳輸?shù)臋C(jī)制。因此，氮摻雜的碳納米纖維包覆的SnO2/BaTiO3復(fù)合材料用作鈉離子電池負(fù)極，表現(xiàn)出優(yōu)異的快充性能和長循環(huán)能力，在大電流密度下可循環(huán)10000圈。該研究結(jié)果對于設(shè)計新型合金基復(fù)合材料實現(xiàn)可快充堿金屬離子電池具有重要的指導(dǎo)意義。
項目支持：國家自然科學(xué)基金委員會，面上項目，51874199，高性能鈉離子電池負(fù)極合金化誘發(fā)壓電效應(yīng)調(diào)控鈉脫嵌的實現(xiàn)方法，2019/01/01-2022/12/31,61萬，在研，主持。
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106591
