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北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授研究小組在鈉離子電池負(fù)極材料研究中取得重要進(jìn)展，11月28日，相關(guān)研究成果以“Multilevel Gradient-Ordered Silicon Anode with Unprecedented Sodium Storage”為題在國(guó)際知名期刊 Advanced Materials 上發(fā)表。北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授、吳川教授和李雨副研究員為本論文共同通訊作者，材料學(xué)院博士后李瑩為第一作者。

新型二次電池是新能源體系的重要支撐，是新能源在電力、交通等重要領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。鈉離子電池具有低成本、長(zhǎng)壽命和高安全性等突出優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于低速電動(dòng)車、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。但鈉離子電池的實(shí)用化受到其能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性的制約，因此，亟需開(kāi)發(fā)高性能、高穩(wěn)定性且低成本的負(fù)極材料。硅在自然界分布極廣，具有來(lái)源廣泛、成本低廉的突出優(yōu)勢(shì)。在鈉離子電池中，Si具有較高的理論比容量，受到早期研究者的關(guān)注。然而，Si在早期實(shí)驗(yàn)研究中顯示出極低的儲(chǔ)鈉比容量（< 40 mAh g^–1），被認(rèn)為是電化學(xué)“惰性”的儲(chǔ)鈉材料。由于Na-Si反應(yīng)的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力較弱以及嵌入勢(shì)壘較高，在實(shí)際電池工作條件下，晶體Si難以儲(chǔ)鈉。

針對(duì)這一問(wèn)題，北京理工大學(xué)白瑩教授研究小組創(chuàng)新性地通過(guò)電化學(xué)重構(gòu)方法將無(wú)儲(chǔ)鈉活性的晶體硅材料改性為獨(dú)特的多級(jí)梯度有序硅（MGO-Si）負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)了硅儲(chǔ)鈉性能的“從無(wú)到有”。 通過(guò)高劑量Na⁺注入誘導(dǎo)的原子重排，形成了由表面短程有序非晶結(jié)構(gòu)、過(guò)渡中程有序膨脹晶格和內(nèi)部長(zhǎng)程有序晶核組成的梯度有序結(jié)構(gòu)（如圖1）。非晶相由于豐富的懸空鍵可吸附Na⁺，膨脹晶格顯示出有利的Na–Si相互作用，并為Na嵌入提供了快速的Na⁺擴(kuò)散通道，晶相則有利于穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。MGO-Si的儲(chǔ)鈉機(jī)制被證明為吸附-嵌入機(jī)制，這與鋰離子電池中形成Li₁₅Si₄的合金化機(jī)制完全不同。此外，通過(guò)逐步構(gòu)建梯度有序結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高比容量。更重要的是，該策略可激活多種惰性（微硅、二氧化硅和碳化硅）和低活性（石墨和二氧化鈦）材料，使其儲(chǔ)鈉性能比原始材料提高1.5-6倍。

圖1 多級(jí)梯度有序硅材料示意圖以及不同有序結(jié)構(gòu)儲(chǔ)鈉性能研究

得益于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，所制備的MGO-Si材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能：在50 mA g^–1下循環(huán)120周后可逆比容量高達(dá)352.7 mAh g^–1，在500 mA g^–1循環(huán)4000周的容量保持率高達(dá)95.2%，呈現(xiàn)出目前鈉離子電池純硅負(fù)極中比容量最高與穩(wěn)定性最佳的電化學(xué)性能。P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂‖MGO-Si全電池在300 mA g^–1下可逆比容量為140.1 mAh g^?1，平均工作電壓為2.7 V，在150周循環(huán)中每周循環(huán)的衰減率為0.2%，證明了MGO-Si負(fù)極在鈉離子電池中具備良好的應(yīng)用前景（圖2）。研究揭示了原子結(jié)構(gòu)有序性對(duì)于Si材料儲(chǔ)鈉的關(guān)鍵影響，為鈉離子電池硅基負(fù)極材料的原子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化提供了新方法、新思路，有利于促進(jìn)鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用。

圖2 MGO-Si的優(yōu)異儲(chǔ)鈉性能

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310270

附作者介紹：

白瑩，教授，博士生導(dǎo)師，入選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。從事先進(jìn)二次電池、輕質(zhì)儲(chǔ)氫等新型儲(chǔ)能材料研究，主要包括鋰/鈉/鋅電池等體系的關(guān)鍵材料、電極與電解液界面穩(wěn)定性、電池?zé)岱治雠c熱安全等基本科學(xué)問(wèn)題。作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家863計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家基礎(chǔ)研發(fā)課題、國(guó)家重大專項(xiàng)課題等項(xiàng)目。在 Chemical Society Reviews, Nature Communications ， Advanced Materials ,  Advanced Energy Materials 等國(guó)際頂級(jí)刊物發(fā)表論文多篇，授權(quán)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。

吳川，教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家高層次人才，Science合作期刊Energy Material Advances副主編。主要關(guān)注能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)體系及其關(guān)鍵材料，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋁二次電池以及其他高性能二次電池新體系。作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家973課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)、教育部博士點(diǎn)基金等科研項(xiàng)目。2020年獲中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)新銀獎(jiǎng)，2019年獲得中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)獎(jiǎng)。任中國(guó)儲(chǔ)能與動(dòng)力電池及其材料專業(yè)委員會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)，多篇文章發(fā)表在Nature Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Functional Mater., Chemical Society Reviews等頂級(jí)期刊上。

李雨，副研究員，碩士生導(dǎo)師，入選中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目/青年項(xiàng)目、博士后科學(xué)基金面上一等資助、北京理工大學(xué)研究生科技創(chuàng)新活動(dòng)專項(xiàng)等；并參與國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市教委科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)共建項(xiàng)目等。以第一作者/通訊作者身份在Chemical Society Reviews，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Nano Energy等頂級(jí)期刊發(fā)表論文多篇。