可快充的钠离子电池——铁电和压电效应加速离子传输动力学

钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作机理；钠储量丰富，成本低廉，有望替代锂离子电池，在动力电池和储能系统中大规模应用。然而，钠离子比锂离子大且重，导致钠离子的传输和反应动力学缓慢。因此，亟需设计具备快速反应动力学的钠离子电池的电极材料。

近日，深圳大学化学与环境工程学院米宏伟副教授团队在钠离子电池储能领域取得重要研究进展，在期刊《Nano Energy》上发表了题为“Fast Ion Diffusion Kinetics Based on Ferroelectric and Piezoelectric Effect of SnO₂/BaTiO₃ Heterostructures for High-rate Sodium Storage”的研究论文。该论文巧妙地设计了SnO₂/BaTiO₃负极材料，结合原位XRD和扫描电化学显微镜等先进技术对BaTiO₃的铁电性和压电性形成的局部微电场对实现快速反应动力学和高效储钠进行深入探讨。深圳大学化学与环境工程学院米宏伟副教授为论文唯一通讯作者，化学与环境工程学院2019级硕士研究生李蕊为论文的第一作者，深圳大学为唯一完成单位。

在合金材料（P、Si等）中引入BaTiO₃可有效提升电极材料的反应动力学，以往的研究认为这是BaTiO₃压电效应的结果，忽视了BaTiO₃铁电效应的作用。在此，米宏伟副教授团队研究发现BaTiO₃对电极材料反应动力学的提升来自于两个方面：一方面，由于BaTiO₃的铁电性，在充放电过程中原位形成局部微电场，可加速钠离子传输；另一方面，BaTiO₃可以利用合金化反应的体积效应产生的机械应力形成压电势，可调控钠离子传输。

该项工作首次提出BaTiO₃的铁电效应和压电效应产生的局部微电场在促进钠离子扩散和提高SnO₂负极的倍率性能方面起着突出的作用，特别是铁电性的作用不可忽视。实验结果证实铁电效应来自于外部电场对BaTiO₃的极化使其电荷分离，其引起的局部微电场起主导作用，而压电效应来自于SnO₂体积膨胀产生应力对BaTiO₃的挤压可增强该微电场。该研究阐明了即使体积效应作用下的BaTiO₃的极化方向是任意的，SnO₂/BaTiO₃复合材料仍能加速钠离子传输的机制。因此，氮掺杂的碳纳米纤维包覆的SnO₂/BaTiO₃复合材料用作钠离子电池负极，表现出优异的快充性能和长循环能力，在大电流密度下可循环10000圈。该研究结果对于设计新型合金基复合材料实现可快充碱金属离子电池具有重要的指导意义。

Rui Li, Guoqiang Zhang, Yingtao Wang, Zhangwen Lin, Chuanxin He, Yongliang Li, Xiangzhong Ren, Peixin Zhang, Hongwei Mi, Fast ion diffusion kinetics based on ferroelectric and piezoelectric effect of SnO₂/BaTiO₃ heterostructures for high-rate sodium storage, Nano Energy, 2021, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106591