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【成果簡介】

近年來，由于在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，低成本、高性能鈉離子充電機(jī)充電蓄電池研究持續(xù)升溫。鈉與鋰屬于同一主族，物理化學(xué)性質(zhì)類似，而且鈉儲量非常豐富（地殼中含量為23.6×103 mg/kg），分布均勻，價格低廉。鈉離子充電機(jī)充電蓄電池體系具有資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好，以及與鋰離子充電機(jī)充電蓄電池相近的電化學(xué)行為。當(dāng)鋰資源儲量相對稀缺和價格不斷攀升時，作為鋰離子充電機(jī)充電蓄電池的最佳替補(bǔ)，鈉離子充電機(jī)充電蓄電池被認(rèn)為是下一代大規(guī)模儲能技術(shù)的理想選擇。發(fā)展高性能的儲鈉電極材料是提高鈉離子充電機(jī)充電蓄電池比能量和推進(jìn)其應(yīng)用的關(guān)鍵。在正極側(cè)研究最多的層狀儲鈉正極材料存在著一些亟待解決的關(guān)鍵問題：1）在濕態(tài)空氣中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。當(dāng)制備材料曝露于潮濕空氣中，水分子極易通過表面插入層狀結(jié)構(gòu)，造成電化學(xué)循環(huán)中的性能劣化；2）容量衰減問題。對于層狀錳基材料，具有姜泰勒效應(yīng)的活性三價錳元素趨于從表面溶解到有機(jī)電解液中，從而導(dǎo)致循環(huán)中容量的不斷衰減。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院郭少華副教授、周豪慎教授課題組與上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳明偉教授、劉攀教授課題組合作設(shè)計了一種富鈦貧氧的表面富集層，為“大規(guī)模儲能鈉離子充電機(jī)充電蓄電池正極材料”的共性問題提供了一種全新的解決思路，有效地保護(hù)了在濕態(tài)空氣以及有機(jī)電解液環(huán)境中的層狀錳基正極材料。相關(guān)研究成果以南京大學(xué)為第一署名單位于2017年7月26日以“Environmentally stable interface of layered oxide cathodes for sodium-ion batteries”為題發(fā)表在Nature Communications上，郭少華副教授為論文第一作者，周豪慎教授為通訊作者。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 Ti元素表面富集

基于電子能量損失譜（白色矩形區(qū)域）的化學(xué)元素和對應(yīng)的元素組分分析：（a）Ti, （b）Na, （c）Mn, （d） Ni.

層狀錳基材料局域精細(xì)結(jié)構(gòu)的氧化態(tài)、化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)分析以及電化學(xué)儲鈉性能

（a）高角度暗場像（HAADF-STEM）和電子能量損失譜。

（b）Ti-L2,3和O-K的電子能量損失近邊精細(xì)結(jié)構(gòu)。

（c）從本體到表面的鈦氧元素分布。

（d）該材料的可逆容量以及倍率性能。

（e）該材料的長循環(huán)性能。

【研究內(nèi)容】

課題組采取先進(jìn)的原子分辨的球差校正掃描透射電鏡技術(shù)（Cs-corrected STEM），詳細(xì)分析了該層狀錳基材料特殊表面的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。該材料最外層的元素組成約為TiO0.66~1.63的富鈦貧氧層，并且由電子能量損失近邊譜可知，表面Ti元素呈現(xiàn)特殊的Ti3+，為良好的電子導(dǎo)體。高角度暗場像（HAADF-STEM）進(jìn)一步顯示其表面原子堆疊方式不同于本體層狀相，為類尖晶石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，可有效隔絕錳基層狀本體與空氣和電解液的直接接觸。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，該材料不僅顯示出較大的可逆容量186 mAh/g和優(yōu)異的倍率性能（在電流密度為1000 mA/g時，容量可達(dá)118 mAh/g），而且具有非常穩(wěn)定的循環(huán)表現(xiàn)，經(jīng)過500次可逆充放電，容量保持率為81%，為同期錳基層狀材料的最佳循環(huán)性能。

該團(tuán)隊自2012年以來一直致力于鈉離子充電機(jī)充電蓄電池電極材料的開發(fā)與研究，是國內(nèi)外在該領(lǐng)域起步最早和成果最豐碩的研究團(tuán)隊之一。迄今為止已發(fā)表鈉離子充電機(jī)充電蓄電池相關(guān)研究論文30余篇，包括高被引論文以及VIP文章多篇，其中“對稱型鈉離子充電機(jī)充電蓄電池”新概念被Angew Chemie，PHYS&ORG以及ChemistryViews等學(xué)術(shù)媒體廣泛報道和高度評價。系列工作包括：①層狀P2/O3復(fù)合正極材料（Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,11701-11705）；②超穩(wěn)定post-spinel負(fù)極材料（Adv. Energy Mater. 2017, 1700361）③對稱型鈉離子充電機(jī)充電蓄電池新概念（Energy Environ.Sci.,2015,8,1237-1244；Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,11701-11705），并受邀撰寫鈉離子充電機(jī)充電蓄電池綜述文章（Energy Environ. Sci., 2016, 9, 2978-3006），同時也吸引了越來越多的研究者參與其中，不斷探索儲鈉電極材料的優(yōu)異性能及獨(dú)特優(yōu)勢，從而加快室溫鈉離子充電機(jī)充電蓄電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。