過程工程所發現提高鈉離子電池材料穩定性新策略

普魯士白因其成本低、理論能量密度高已成為一種極具應用潛能的鈉離子電池正極材料。近日，中科院過程工程所綠色化工研究部研究員趙君梅團隊與中科院物理所團隊合作，提出在室溫下利用硼化鈷包覆菱形相普魯士白正極材料的新策略，用于提高其結構穩定性。相關研究成果于近日發表在Angewandte Chemie上。

菱形相普魯士白晶格結晶水少，鈉含量高，具有較高電壓和容量，是鈉離子電池正極材料的極佳選擇。但富含錳元素的普魯士白在充放電過程容易引發姜泰勒效應，最終導致材料顆粒腐蝕溶解、粒間裂紋產生、界面阻抗持續增加、體相結構嚴重退化等。在其表面引入合適的包覆層是解決這一問題的主要思路。而常規的碳包覆、金屬氧化物包覆等策略通常需要高溫燒結，這將破壞普魯士白的結構。因此，開發一種能夠在室溫下實現包覆的策略尤為重要。

硼化鈷作為一種“金屬玻璃”，不僅能夠實現對普魯士白的全包覆，而且具有良好的機械韌性，可以有效抑制其和電解液之間的副反應，減輕錳元素的溶解，對普魯士白顆粒的各向異性體積變化具有約束和緩沖作用，從而緩解粒間微裂紋的產生。此外，硼化鈷還具有混合電子和離子的雙導性，可增強普魯士白的動力學性能。

在研究中，作者通過化學濕涂層法將硼化鈷包覆在普魯士白表面，實驗結果顯示，硼化鈷包覆的普魯士白正極在10C倍率下可獲得132mAhg^-1的可逆容量，而相同條件下未包覆的普魯士白可逆容量只有110mAhg^-1。包覆的普魯士白在5C倍率下循環1000周，容量保持率為80%，而未包覆的樣品僅能獲得41%的容量保持率。基于正負極活性物質總質量計算，在實驗室中進行包覆的普魯士白的全電池能量密度約為310Whkg^-1，已接近相同條件下磷酸鐵鋰的330Whkg^-1。此外，經實驗計算，負極為硬碳的硼化鈷包覆普魯士白全電池能量成本及循環壽命成本均較低。

該工作得到了北京自然科學基金、國家自然科學基金和內蒙古科技廳項目、中國科學院戰略優先研究計劃的支持。

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https://doi.org/10.1002/anie.202217761