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鈉離子電池具有原材料豐富、易得，成本低，安全性高等優點，在中低速電動汽車、電動自行車、儲能等領域具有廣闊的應用前景。但由于鈉離子具有較大的相對原子質量及粒子半徑，鈉離子電池較鋰離子電池比能量和比功率偏低。開發高面容量電極是提高電池比能量的有效方法之一。
近日，中科院大連化學物理研究所研究員李先鋒、副研究員鄭瓊帶領的研究團隊，在鈉離子電池超高面載量電極研究方面取得新進展。相關研究成果發表在《先進能源材料》上。
李先鋒介紹，電極組分的隨意堆疊將在電極上形成高彎曲度的多孔結構。隨著電極厚度的增加，這種結構將大幅增加鈉離子在電極內部的擴散阻力，導致電池比功率較低。
基于非溶劑誘導相轉化方法，該團隊成功制備出一種具有低彎曲度指狀孔的超高面容量磷酸釩鈉基電極結構。在新型的電極結構內，鈉離子首先沿著指狀孔在電極厚度方向遷移，隨后發生離子橫向擴散，顯著縮短了離子輸運路徑；同時，由于鈉離子的有效離子擴散速率與彎曲度成反比，鈉離子在低彎曲度指狀孔內的傳輸更快，有效提升了鈉離子擴散動力學的常規極限值。
此外，該團隊將多物理場耦合的有限元模擬分析首次應用于鈉離子電池電極結構設計及其內部的電荷傳遞動力學過程中，獲得了不同彎曲度多孔電極內反應物濃度、電流密度、極化等的時間和空間分布特性。
理論計算結果顯示，低彎曲度多孔電極內的電化學反應更均勻，鈉離子傳輸速度更快，進而驗證了低彎曲度指狀孔電極，特別是高面容量電極在大電流運行工況下電池比功率優勢。該研究為高比能量、高比功率鈉離子電池設計開發提供了新思路，有望推動鈉離子電池的產業化。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/aenm.202003725
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