纳米材料与计算物理团队在高储能电池研究方面取得重要进展

近日，江南体育官网纳米材料与计算物理团队陈元正副教授与南洋理工大学Simon A. T. Redfern教授、新加坡国立大学冯元平教授等人合作，在研究高储能密度金属离子电池及其储能机制方面取得重要进展，研究成果以“Unveiling Interstitial Anionic Electron-Driven Ultrahigh K-Ion Storage Capacity in a Novel Two-Dimensional Electride Exemplified by Sc₃Si₂”为题，于2022年8月6日发表在国际著名期刊J. Phys. Chem. Lett.（IF=6.888,一区，https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.2c01888）上，并获得美国物理化学期刊官方媒体专栏热点报道。

电池储能技术是当今开发清洁能源和实现国家智能电网的核心技术之一，也是国家能源结构优化战略布局的关键支撑。然而，当前成熟的锂离子电池储能技术因其锂自然资源含量低且分布不均匀，导致了锂离子电池设备过于昂贵，无法满足现代化工业发展中的大规模储能需求。钾离子电池作为一种新型的“后锂离子电池”，因其钾自然资源储量丰富且分布广泛，被认为是取代锂离子电池的高性能二次电池。但是，当前适合钾离子电池的电极材料较少且储能容量普遍偏低，这成为制约钾离子电池实现大规模工业化应用的关键科学问题，也是当前国际前沿研究和多学科聚焦的热点问题。

图1.(a)基于群智结构搜索技术与多电子结构特征信息作筛选条件相结合的多电子结构搜索流程示意图；（b）新型稳定的二维多电子结构[Sc₃Si₂]¹⁺•1e^‒及其钾离子电池正极应用；（c）结构中的空间阴离子分布特征；（d）可用作高储能的钾离子电子电极材料；（e）二维多电子结构[Sc₃Si₂]¹⁺•1e^‒的离子储能机理图。

针对当前钾离子电极材料储能偏低的瓶颈问题，发现其储能容量难以通过常规材料结构构型获得质的提升，构建新奇结构、发展新储能机制成为突破当前困境的重要思路。考虑到二维电子化合物结构具备晶格间隙占据空间阴离子(IAE)的优势和高比表面积特性，这些特征优势有利于金属离子储能作用，有望实现钾离子储能容量质的提升。纳米材料与计算物理团队利用群智结构搜索技术并结合多电子结构特征物理量信息作为筛选条件(图1a)，设计出了新型稳定的二维多电子结构，[Sc₃Si₂]¹⁺×1e^‒(图1b-1c).通过第一性原理计算，系统挖掘了其潜在碱金属离子电池中应用性能和各种物理参数，发现它具备超高钾离子储能容量（1497 mA hg^‒1）(图1d)，超越了目前所有已知的二维钾离子电池电极材料。进一步研究揭示了结构中IAE展现部分离域特性，使得IAE可与吸附的金属阳离子进行电荷中和，促进金属离子多层吸附，形成一种全新的IAE-诱导离子储能机制(图1e)。该物理机制的发现为未来设计高储能金属离子电极材料结构提供了一种新的思路和重要参考。

该研究工作受到了国家自然科学基金（12164009）、博士后科学基金（2021M690325）、四川省科技厅基金（2020JY0314、2021YFG0228），和新加坡教育部学术研究基金（R-144-000-441-114）等项目支持。