近日，biwn必赢乔羽教授课题组在钠离子电池正极材料结构设计方面取得重要进展。相关成果以“Sustainable layered cathode with suppressed phase transition for long-life sodium-ion batteries”为题发表在Nature Sustainability上（doi.org/10.1038/s41893-024-01288-9）。
可充电钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉等优势受到了广泛关注，尤其在大规模储能领域显示出巨大的应用前景。层状钠过渡金属氧化物（NaxTMO2）因其高工作电压和高理论比容量而备受关注。除了与锂离子电池层阴极一样拥有O型结构之外（O 表示八面体），钠离子电池正极还拥有独特的 P 型结构（P表示棱柱形）。其中，碱金属（AM）层中的钠离子占据棱柱形位点，表现出优异的比容量和高倍率性能。然而，P型化合物在高电荷状态下会发生P型到O型的剧烈相变，在长期循环过程中会引发严重的不可逆结构退化，从而严重阻碍其实际应用。
为此，研究团队研究了P2型钠层状阴极的相变起源，通过晶格缺陷工程构造了无相变、可持续的P2-NaFeMnO阴极。具体来说，通过在 TM 层中引入本征空位，研究团队设计出了一种含本征TM空位的P2-Na0.7Fe0.1Mn0.75□0.15O2（"□"代表本征TM空位，VC-NFMO）阴极，避免了高荷电态下的P−O构型转变。均匀分散的本征 TM 空位可显著增加与其相邻的钠离子的迁移能垒，并将钠离子固定在各自AM层内，使P型层在贫钠状态下也得以被保持。与典型的无空位 P2-Na0.7Fe0.33Mn0.67O2（VF-NFMO）阴极中获得的 O/P共生结构相比，贫钠状态下的无相变P型结构具有更高的 TM-O 局部结构稳定性和更低的热失控风险。此外，特定的Na-O-□构型可激发可逆的阴离子氧化还原活性，从而提高阴极的能量密度。利用该工作中设计的P2-NaFeMnO阴极与硬碳阳极匹配组装了170 Wh kg-1和120 Wh kg-1钠离子软包电池，分别在 600 次循环和 1000 次循环后容量保持率仍大于80%，成功构建了可持续、长寿命的钠离子软包电池。
高比能、长循环钠离子电池软包器件循环示意图
该工作是在biwn必赢乔羽教授的指导下完成，2022级博士生唐泳麟为第一作者。研究工作得到国家自然科学基金（22021001、22179111、22109186、22272022、52122211、52072323），国家重点研发计划（2023YFB2406200、2021YFA1201900），嘉庚创新实验室基础研究项目（RD2021070401），以及固体表面物理化学国家重点实验室等支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01288-9
