2019年，鋰離子電池獲得諾貝爾化學獎，將電池霸主的地位坐穩。然而，鋰離子電池有本征的天花板。當今時代，人們對電池的成本、壽命、安全性都有更高的要求。
2008年，胡勇勝從加州大學圣芭芭拉分校博士后出站，受到陳立泉院士邀請，回到中科院物理所工作。胡勇勝長期致力于儲能材料和儲能器件研究，主要研究方向包括固態離子學和鈉離子二次電池關鍵材料等。在鋰離子電池的研究如日中天的時候，他將主要精力放在了相對冷門的鈉離子電池。
十年磨一劍，胡勇勝團隊提出了低溫/室溫鈉離子儲能電池用新型正極材料、電解質材料和負極材料，為鈉離子電池的實用化奠定了基礎。基于自主知識產權，他們實現了全球首次實現鈉離子電池量產，每個月可以生產30萬支電芯，并開發了全球首輛鈉離子電池低速電動車。
基礎研究的突破，是產業發展的核心動力。
2020年11月6日，胡勇勝課題組再次在基礎研究領域突破，發展了一種全新的策略來預測和設計高性能鈉離子電池材料，文章發表在今天的Science雜志。
第一作者：Chenglong Zhao，Qidi Wang，Zhenpeng Yao
通訊作者：Yong-Sheng Hu，Yaxiang Lu， Marnix Wagemaker，Claude Delmas，Alán Aspuru-Guzik
通訊單位：中科院物理研究所，荷蘭代爾夫特理工大學，法國波爾多大學，美國哈佛大學
研究亮點：
1. 引入“陽離子勢”概念，使得層狀材料的結構預測成為可能。
2. 成功預測并發展了一系列高性能鈉離子電池層狀氧化物材料。
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鈉離子電池因其豐富的天然鈉，在電網規模儲能方面受到了廣泛的關注。目前，其性能受到可用電極材料的限制，尤其是鈉離子層狀氧化物，這無疑促進了人們開發具有高組成多樣性的層狀氧化物材料。
組分在決定結構化學對電化學性能具有決定性作用，然而，其預測難度很大，特別是對于復雜的組成。對于Na離子氧化物，除了O型以外，還可能具有P型堆積結構。
成果簡介
有鑒于此，中科院物理研究所胡勇勝研究員，陸雅翔副研究員，荷蘭代爾夫特理工大學Marnix Wagemaker，法國波爾多大學ClaudeDelmas，美國哈佛大學Alán Aspuru-Guzik報道了引入“陽離子勢”用于捕捉層狀材料的關鍵相互作用，并使預測堆積結構成為可能。
圖1. 陽離子勢及其在鈉離子電池中的運用
精準設計
較大的陽離子電勢意味著更強的TM電子云擴展和層間靜電排斥力，導致P2-型結構的d（O-Na-O）距離增加。與此相反，通過增加Na含量而獲得的更大的平均Na離子電勢會增加TMO2層之間靜電排斥的屏蔽，有利于O3-型結構。相圖結果表明，TM或Na含量差異很小可導致P2-和O3-型結構之間的過渡。
研究人員以陽離子勢為指導，通過控制Na含量和TM組分，設計了特定的堆積結構。
通過一種典型的固態反應體系，研究人員在預測的O3-型結構中成功地制備了NaLi1/3Ti1/6Mn1/2O2。XRD的Rietveld精修結果證實了其層狀巖鹽結構。電化學性能顯示，其能量密度約為630 WH kg?1，高于已報道的O3-型電極。
圖2. 設計O3-型氧化物結構
針對x>0.67的反常高鈉離子含量，研究人員又從NaLi1/3Mn2/3O2開始，并根據陽離子電勢，預測并成功了具有高鈉含量的P2-型結構的Na5/6Li5/18Mn13/18O2。迄今為止，如此高鈉含量的層狀氧化物通常結晶為O3-型結構。電化學性能測試結果顯示，這種高鈉含量材料具有相當高的容量，超過200 MAh g?1。
圖3. 設計P2-型氧化物結構
體系拓展
研究人員將陽離子勢擴展到其他堿金屬層狀氧化物，包括Li離子和K離子。結果顯示，陽離子勢（Eq.1）從K到Na到Li離子不斷增加。因此，KxTMO2主要結晶為P2-型，而LixTMO2主要結晶為O3-型結構，而NaxTMO2可以結晶為P2-和O3-型結構。
圖3.針對堿金屬層狀氧化物的陽離子勢相圖
小結
總之，這項研究通過合理設計和制備性能更好的層狀電極材料，證明了這一點。由于堆積結構決定了功能，這種方法為堿金屬層狀氧化物的設計提供了一種有效解決方案。
參考文獻：
Chenglong Zhao, et al, Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries, Science, 2020
DOI: 10.1126/science.aay9972
http://science.sciencemag.org/content/370/6517/708
