中科院专家揭秘：钠层状氧化物在新型材料中的突破
中科院专家揭秘：钠层状氧化物在新型材料中的突破
2024年8月，中国科学院物理研究所胡勇胜研究员团队在《Science》发表最新研究成果，揭示了钠层状氧化物正极材料空气稳定性的关键问题，为钠离子电池的商业化应用扫清了重要障碍。
钠离子电池因其资源丰富、成本低廉等优势，被视为锂离子电池的重要替代方案。其中，钠层状氧化物（NaxTMO2）作为正极材料，具有高能量密度和优异的倍率性能，是钠离子电池研究的重点方向。然而，这类材料对空气极其敏感，在湿空气中几小时内就会发生劣化，导致钠含量下降，电池容量损失。这一问题已困扰研究者四十余年，成为其商业化进程中亟待克服的重要障碍。
胡勇胜团队通过深入研究，发现水蒸气在材料劣化过程中起到关键性的桥梁作用。当水蒸气与二氧化碳或氧气共存时，会引发材料的酸性降解和氧化降解过程。其中，酸性降解会导致Na+/H+交换，在材料表面形成碳酸钠或碳酸氢钠；氧化降解则会使过渡金属离子被氧化，释放钠离子形成氢氧化钠。
为量化层状氧化物正极材料的空气劣化程度，研究团队创新性地开发了一种基于滴定气相色谱技术的标准化测试方法。他们定义了一个新的参数——阳离子竞争系数η，用于评估脱钠的难易程度。研究发现，降低阳离子竞争系数和增加颗粒尺寸可以有效提升材料抵抗酸性劣化的能力；选择高电位的氧化还原对则能增强材料的抗氧化劣化能力。
基于上述发现，团队设计的改性材料将钠损失量从模型材料的0.489降低至0.019（减少了96%）。这一突破不仅解决了钠层状氧化物空气稳定性差这一长期困扰业界的问题，更为设计更稳定、更耐用的层状氧化物正极材料提供了技术方法和指导原则。
随着这一关键技术问题的解决，钠离子电池的商业化进程有望加速。目前，钠离子电池已在多个领域展现出广阔的应用前景。例如，广州发展正在建设的洪湖市经开区100兆瓦/200兆瓦时钠离子储能电站示范项目，建成后将成为我国首个百兆瓦时级的钠电池储能电站。此外，钠电池在两轮电动车、数据中心、通信基站、煤矿井下、工程车辆等领域也实现了应用。
虽然钠电池的理论成本比锂电池低30%-40%，但目前其储能项目中标价格仍高于锂电池。这主要是因为相关产品尚未实现规模化生产。随着产业链的逐步成熟，钠电池成本将快速下行。预计到2025年，我国钠电池的规划产能将达60吉瓦时，2028年左右产业将趋于成熟，尤其是在低速电动车领域，届时铅酸电池、钠电池和锂电池市场占比有望分别为40%、45%和15%。
胡勇胜团队的这一突破性发现，不仅稳固了中国在全球钠离子电池技术前沿的领航地位，更为全球钠离子电池商业化进程铺设了坚实的理论基石与实践路径。随着相关技术的不断进步，钠离子电池有望在不久的将来实现大规模商业化应用，为全球能源存储和利用带来新的变革。