打破传统认知 清华在超长寿命钠离子电池材料方向取得新进展

2020年3月29日获悉，清华大学材料学院唐子龙教授课题组在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表了题为“转换型一氧化锰纳米棒作为钠离子电池的结构稳定框架”（Conversion-Type MnO Nanorods as a Surprisingly Stable Anode Framework for Sodium-Ion Batteries）的研究成果。该研究打破了转换型电极材料不能作为储能电池的结构稳定框架的传统认知。

在能源存储材料中，纳米材料虽可提供较高的比容量及较快的反应动力学，但容易发生形貌变化导致容量大幅衰减。因此，将纳米材料和结构稳定框架进行复合可有效发挥纳米材料的优势。但是当前可选的结构稳定框架非常有限，即碳材料、导电聚合物和钛基材料几种非活性或嵌入型的电极材料。而转换型和合金型电极材料通常被认为是高容量电极的代表，自身结构的电化学稳定极差，因此从未被考虑作为结构稳定框架使用。

针对这一问题，唐子龙课题组将转换型一氧化锰纳米棒作为结构稳定框架，负载高容量钼基材料后的复合材料在70C的高倍率钠离子电池中获得了超过40000次的稳定循环（图1a~c）。然而该复合材料在锂离子电池中虽容量较高，却只有不到500次的循环寿命（图1d~e）。这说明转换型电极材料的容量易衰减和结构不稳定并非其本征属性。当改变材料服役环境，限制其存储容量发挥后（比如该研究中的一氧化锰从作为高容量锂离子电池的电极材料转变为低容量钠离子电池的电极材料），转换型电极材料同样可以作为优异的结构稳定框架。这一设计策略有望对其他合金型或转换型电极材料具有普适性，也为利用结构稳定框架与高容量纳米材料之间的界面/键合特性进而合成高性能功能材料提供新的思路。

图1 一氧化锰纳米棒-钼基复合材料在钠离子电池中（a~c）和锂离子电池中（d~e）的电化学性能比较

该论文的通讯作者为清华大学材料学院唐子龙教授和美国麻省理工学院王诗童博士，该研究得到了国家自然科学基金的资助。