高性能钠/钾离子电池正负极材料的优化调控及全电池应用研究

    面对能源短缺与环境恶化这两大环境问题，开发可持续清洁能源变的日益迫切。在稳定、持续利用新能源的过程中，电化学储能技术扮演了重要角色。锂离子电池作为2019年诺贝尔化学奖获得者的研究成果，因其高功率密度和能量密度在电能存储领域中占据了最大份额，并应用于生活的各个领域。但原料的低储存量和高价格制约其在大规模储能中的应用。钠/钾离子电池由于与锂离子电池具有相似的工作原理，为基于钠/钾离子在正负极中可逆嵌入/脱出的“摇椅电池”机理，且原料存储量大、价格低廉，这使得钠/钾离子电池更适用于大规模储能。正负极电极材料是金属离子发生嵌入/脱嵌、氧化还原反应的场所，其性能和合成工艺直接决定电池的性能，在电池中占据着最重要的地位。较大的钠/钾离子半径所导致的动力学缓慢对电极材料提出了更高的要求，因此研制高比容量、长循环寿命、优异倍率性能、高安全性和无污染的电极材料已成为当前最重要的研究课题之一。

  （1）我们以提高关键负极材料结构的稳定性和增强其电子/离子的导电性为出发点，通过与导电碳网络复合、结构设计以及组分调控等方法，利用金属-有机配位聚合物的结构可裁剪性、多孔性以及表面易功能化等优点，发展了结构导向模板的合成策略，设计了系列结构和组分可控的硫属化合物/碳基复合负极材料并对其储钠/钾性能进行探究。并结合实验结果提出高效普适的优化电极材料的策略，为下一代储能电池负极材料的发展提供理论基础与技术支持。

  （2）针对层状金属氧化物作为钠离子电池正极材料在充放电过程存在的结构坍塌、无定型化、界面不稳定、循环稳定性低等问题，利用具有多电子转移的Ni²⁺离子、高氧化还原电位的Cu²⁺离子、具有电荷补偿相应的F^-的掺杂，实现了对P₂相锰基正极的晶胞参数和结构稳定性的调控，提高了材料的能量密度和循环稳定性，达到快速充放电的效果。所制备的正极材料可以实现5分钟快速充电至90 mAh g^-1，能量密度和功率密度分别达到260 Wh kg^-1和3000 W kg^-1，与锂离子电池正极材料的性能基本相当。