近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院許超課題組在鈉離子電池正極材料方向取得重要進(jìn)展，研究成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science)上在線(xiàn)發(fā)表。

鈉離子電池（SIBs）因其成本效益和可持續(xù)性，正成為鋰離子電池的有力替代品，但實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性和高能量密度的挑戰(zhàn)依然存在。在眾多被探索的正極選項(xiàng)中，O3型層狀過(guò)渡金屬氧化物因其高初始鈉含量和高理論容量而受到青睞。O3-Na[NixFeyMn1-x-y]O2（NFM）正極包含豐富的過(guò)渡金屬，原材料成本低。但這類(lèi)材料對(duì)水分敏感，且循環(huán)壽命短，這兩種失效模式都與它們的結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。

針對(duì)上述科學(xué)挑戰(zhàn)，許超課題組深入探討層狀正極材料NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM）在低荷電態(tài)（SOC）下的相變。通過(guò)1C倍率下的原位同步輻射X射線(xiàn)衍射，發(fā)現(xiàn)低SOC下的O3-P3相變涉及層間滑移和顯著的晶格失配，且隨著放電深度（DOD）的增加，晶格失配加劇 (如圖1所示)。這種相變導(dǎo)致嚴(yán)重的形態(tài)和界面退化，從而迅速降低性能，這一結(jié)論通過(guò)在不同DOD下循環(huán)電池得到了證實(shí)。

圖1. NFM正極充放電時(shí)的結(jié)構(gòu)變化。

進(jìn)一步結(jié)合理論計(jì)算和原位X射線(xiàn)衍射相分析，本研究揭示了用鈣替代鈉可以有效緩沖結(jié)構(gòu)變化并最小化晶格失配。由此，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高，電池在全DOD下循環(huán)超過(guò)1300次后仍能保持80%的容量。這項(xiàng)工作揭示了低SOC相變的關(guān)鍵作用，并凸顯了鈣替代在顯著提高鈉離子電池穩(wěn)定性和商業(yè)可行性方面的潛力。這一發(fā)現(xiàn)為鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，有望推動(dòng)鈉離子電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖2: Ca摻雜NFM正極改善電池性能及機(jī)理示意圖。

本項(xiàng)工作中，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2022級(jí)碩士研究生李聞達(dá)、南京大學(xué)李朝越和上科大物質(zhì)學(xué)院2021級(jí)碩士研究生李立志為共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)許超教授、英國(guó)劍橋大學(xué)Clare P. Grey教授、南京大學(xué)王景陽(yáng)教授與上海交通大學(xué)杲祥文教授為本文的共同通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

論文標(biāo)題：Navigating low state of charge phase transitions in layered cathodes for long-life sodium-ion batteries

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00422e