可快充的鈉離子電池——鐵電和壓電效應加速離子傳輸動力學

中國粉體網訊  鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的工作機理；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中大規模應用。然而，鈉離子比鋰離子大且重，導致鈉離子的傳輸和反應動力學緩慢。因此，亟需設計具備快速反應動力學的鈉離子電池的電極材料。

近日，深圳大學化學與環境工程學院米宏偉副教授團隊在鈉離子電池儲能領域取得重要研究進展，在期刊《Nano Energy》上發表了題為“Fast Ion Diffusion Kinetics Based on Ferroelectric and Piezoelectric Effect of SnO₂/BaTiO₃ Heterostructures for High-rate Sodium Storage”的研究論文。該論文巧妙地設計了SnO₂/BaTiO₃負極材料，結合原位XRD和掃描電化學顯微鏡等先進技術對BaTiO₃的鐵電性和壓電性形成的局部微電場對實現快速反應動力學和高效儲鈉進行深入探討。深圳大學化學與環境工程學院米宏偉副教授為論文唯一通訊作者，化學與環境工程學院2019級碩士研究生李蕊為論文的第一作者，深圳大學為唯一完成單位。

在合金材料（P、Si等）中引入BaTiO₃可有效提升電極材料的反應動力學，以往的研究認為這是BaTiO₃壓電效應的結果，忽視了BaTiO₃鐵電效應的作用。在此，米宏偉副教授團隊研究發現BaTiO₃對電極材料反應動力學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的體積效應產生的機械應力形成壓電勢，可調控鈉離子傳輸。

該項工作首次提出BaTiO₃的鐵電效應和壓電效應產生的局部微電場在促進鈉離子擴散和提高SnO₂負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。實驗結果證實鐵電效應來自于外部電場對BaTiO₃的極化使其電荷分離，其引起的局部微電場起主導作用，而壓電效應來自于SnO₂體積膨脹產生應力對BaTiO₃的擠壓可增強該微電場。該研究闡明了即使體積效應作用下的BaTiO₃的極化方向是任意的，SnO₂/BaTiO₃復合材料仍能加速鈉離子傳輸的機制。因此，氮摻雜的碳納米纖維包覆的SnO₂/BaTiO₃復合材料用作鈉離子電池負極，表現出優異的快充性能和長循環能力，在大電流密度下可循環10000圈。該研究結果對于設計新型合金基復合材料實現可快充堿金屬離子電池具有重要的指導意義。

項目支持：國家自然科學基金委員會，面上項目，51874199，高性能鈉離子電池負極合金化誘發壓電效應調控鈉脫嵌的實現方法，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

（中國粉體網編輯整理/波德）

注：圖片非商業用途，存在侵權請告知刪除！