鈉離子（Na+）電池被視為锂離子電池的有效補充。近年來，鈉離子電池領域進展迅速。
2021 年，甯德時代宣布第一代鈉離子電池實作 160Wh/kg 能量密度。2022 年，中科院實體研究所、中科海鈉等團隊在 Nature Energy 報道了一種鈉離子電池，其能量密度逾 200Wh/kg[1]。
目前，鈉離子電池正負極材料、電解液以及裝配工藝發展迅速，但鈉電材料比對電芯仍不如锂電成熟，特别是鈉電負極材料種類依然較少。目前，市場上主流的商用硬碳容量、倍率性能偏低，亟需開發高容量、高倍率、循環性能好的新型鈉電負極。
圖丨黃富強（來源：黃富強）
近期，北京大學/中國科學院上海矽酸鹽研究所黃富強教授團隊融合儲能領域嵌脫模式，創新性地提出一種更為簡單的設計方法——準拓撲插入機制 [2]，為實作鈉電負極高能量、高倍率、長循環壽命提供了新解決方案。
準拓撲插入機制，即通過重新構築線性配位鍵，把金屬铋原子（Bi）化學內建在插入型層狀硫化铌（NbS2）主體架構。利用該結構設計思路制備的微米級 Bi0.67NbS2 負極，可在超高倍率 100C 下實作穩定鈉離子存儲，25000 次循環後仍可保持 226 mAhg−1 的比容量，無明顯衰減。
黃富強表示，對于鈉離子電池，大半徑鈉離子在嵌脫過程中容易産生結構失穩問題，是以實作 1 萬次以上電池循環已經算是一個很好的名額。目前，團隊已經可以實作持續循環 25000 次，這在行業中是非常罕見的名額性能。
該技術制備簡單，随着鈉電發展可同步應用。其核心亮點是材料創新，準拓撲插入機制的優勢是安全性極高，不容易發生爆炸。此外，采用該負極材料組裝的鈉離子全電池可提供 4623Wkg−1 的高功率密度。
該研究在低成本、高安全性的高功率新型儲能器件領域具有突出優勢，可廣泛應用于新能源汽車、電網調頻（亞秒級）、高鐵能量回收、極高倍率電動工具等應用場景。
實作鈉電池合金型負極 100C 快充
回顧電池材料的發展，上世紀 90 年代初，索尼公司采用石墨為負極，自此推動了锂離子電池的商品化發展。而後，具有極高倍率和高安全性的钛酸锂負極逐漸發展起來，應用于軍事、原子能、航空航天等領域。
碳材料（如石墨烯、碳納米管，非晶态碳）通常被用來實體抑制粒子聚集和增加電導率，進而延長電池循環壽命，提高循環速率。硬碳作為锂電負極雖然倍率尚可，但是其低首效一直問題突出，是以矽碳作為矽基負極的主流技術路線逐漸被發展起來。
金屬元素作為锂離子電池負極材料容量很高，例如氧化鐵、氧化鋅、氧化錫，但一直沒有被廣泛使用，根本原因在于這些金屬元素負極材料在離子嵌入過程體積膨脹嚴重，導緻容量持續衰減。
如何在實作電池快速充放的同時保持長壽命？其核心難點在如何解決離子插嵌過程中的嚴重體積膨脹和結構失穩。
圖丨Bi0.67NbS2 晶體結構設計與 DFT 計算。
針對上述難題，黃富強教授自 2003 年回國以來，就開展了新型負極材料方向的研究，發表了一系列基于多元化合物原子基團調控的相關工作。探索過程中，課題組逐漸發現硫屬化合物有利于離子的體相擴散，可顯著提高倍率性能。此外，在不穩定的負極材料中引入少量特定金屬離子，有望将循環性能提升。
由此，他們設計出一種新的配位限制政策，即利用固體化學結構設計理論模型将合金型原子放在剛性插入型架構中間，既能保持插入型的穩定結構，又能保持合金型的高容量，最終實作“一箭雙雕”的效果。
本研究中，研究團隊從理論上發現并設計出一種高能量、長循環、高倍率的負極材料。該論文共同第一作者、中國科學院上海矽酸鹽研究所博士生呂卓然表示，這種設計思路非常簡單，這就好比将一個脾氣不好的人放在一群脾氣好的人中間。随後，脾氣不好的人慢慢地也會随環境将脾氣變好起來。
同樣道理，Bi 作為後過渡金屬元素，本身屬于合金化儲能機制，由于層狀結構的拓撲插入機制被“同化”，通過幾何空間和能量空間的限制，實作了局域限制合金反應，進而保障了長循環性能。
該論文作者、中國科學院上海矽酸鹽研究所謝淼博士表示，團隊的實驗證明了層狀 Nb-S 主體架構對 Na+ 擴散動力學的促進作用。
（來源：Advanced Energy Materials）
該論文作者、連續多次在 Nature Physics 上發表過相關論文的中國科學院上海矽酸鹽研究所方裕強博士指出，研究團隊通過制備微米級别的 Bi0.67NbS2，讓 Bi 和 NbS2 層中的兩個 S 原子進行線性配位。進一步基于 Nb-S 主體架構形成了快速離子/電子擴散通道，這在一定程度減少了鈉離子插入過程中的體積膨脹，賦予 Bi0.67NbS2 較低的能壘。
研究人員将 Bi0.67NbS2 和 Bi 進行對比後發現，Bi0.67NbS2 具有更小的電荷轉移阻抗。課題組成員将 Bi0.67NbS2 與 Na3V2(PO4)3 組裝成全電池進行應用驗證，性能測試結果顯示 Bi0.67NbS2||Na3V2(PO4)3 全電池可實作 2.61V 的輸出電壓。并且，在 4623Wkg−1 的高功率密度條件下，能夠提供 141Whkg−1 的能量密度。
圖丨相關論文（來源：Advanced Energy Materials）
近日，相關論文發表在 Advanced Energy Materials，題目為《鈉離子電池 100C 快速充電的 Bi0.67NbS2 準拓撲插入機制》（Quasi-Topological Intercalation Mechanism of Bi0.67NbS2 Enabling 100 C Fast-Charging for Sodium-Ion Batteries）。
中國科學院上海矽酸鹽研究所博士生呂卓然、許文敬與清華大學深圳國際研究所學生院博士生徐恒越為該論文共同第一作者，北京大學/中國科學院上海矽酸鹽研究所黃富強教授為論文唯一通訊作者。下一步，團隊将在多元化合物離子基團調控方向繼續探索，并逐漸将技術推向産業化。
“鈉電的未來将百花齊放”
黃富強課題組長期從事無機固體化學結構設計與合成理論、材料制備方法和能源器件應用研究，覆寫先進電池、新型儲能、智能光儲一體化、電催化、新化合物合成等諸多創新領域。
截至目前，該課題組已經發現 300 餘種多功能新化合物；研制出新型高倍率锂/鈉電負極材料、高電壓層狀锂電正極材料、高熵鈉電正極材料、長壽命錳基锂電正極材料、高首效硬碳等系列關鍵材料等，形成了 130 餘項具有獨立自主知識産權的發明專利群，部分成果實作技術轉化與産業應用（DeepTech 此前報道：锂電長續航迎産業新突破：科學家成功破解4.8V高壓循環難題，實作超薄鈣钛礦均勻包覆）。
圖丨黃富強與學生在實驗室（來源：該團隊）
這些創新成果的取得也與黃富強的科研背景與在産業工作經驗密不可分。博士階段，他師從中國著名理論化學的創始者唐敖慶院士，從事量子化學方向的研究。
博士後階段，他在美國密西根大學化學系從事固體化學方向研究，而後他在美國西北大學化學系和美國賓夕法尼亞大學材料科學與工程系有過兩段研究員經曆，從事固體化學、凝聚态實體和巨磁阻材料相關方向研究。
産業一線工作方面，他曾在西門子集團美國歐司朗 OSI 公司研究開發（R&D）部擔任 Principal Scientist。2003 年，黃富強回國加入中國科學院上海矽酸鹽研究所。如今，他擔任北京大學博雅特聘教授、中國科學院上海矽酸鹽研究所首席研究員、中國化學會理事和中國化學會能源化學專業委員會首屆主任。
“對我而言，做科研源于有一種使命感和好奇心，我所追求的是原始創新，而做原始創新最重要就是找到技術中最本質的東西。”黃富強說。
圖丨為幫助企業解決高效輕質耐火材料成型技術難題，黃富強教授攜博士團隊現場調研指導（來源：該團隊）
忙碌是他工作和生活的一種常态，前不久是全國高校院所畢業答辯季，他幾乎每天一座城市擔任學生畢業答辯評審。但是，該做的工作他一樣都沒落下：開組會、指導課題組工程化團隊開展驗證測試、給學生們上課做講座、幫助企業解決産業共性技術難題。
他表示，和學生們交流科研是一件非常幸福的事，思想碰撞、腦力激蕩的過程很容易激發出意想不到的奇思妙想。“是以，從另一個角度看，他們也是我的老師，我非常鼓勵學生們開展興趣驅動的自由探索。”
黃富強指出，目前鈉離子電池在電化學儲能領域具有低成本、高安全等突出特點，是新型儲能方向具有獨特競争優勢的技術路線。“硬碳不是鈉離子電池負極材料唯一的選擇，未來鈉電負極将百花齊放，不斷湧現出更多高性能材料支撐鈉離子電池的産業發展，這也是我們的目标和願景所在。”
參考資料：
1.Li, Y., Zhou, Q., Weng, S. et al. Interfacial engineering to achieve an energy density of over 200 Wh kg−1 in sodium batteries. Nature Energy 7, 511–519 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01033-6
2.Lv, Z., Xu, H., Xu, W. et al. Advanced Energy Materials 13, 2300790 (2023). https://doi.org/10.1002/aenm.202300790