我校化材学院碳中和技术创新研究院侴术雷/肖遥/朱燕芳团队在国际顶级期刊Advanced Materials发表学术文章

由于钠资源丰富且分布广泛，钠离子电池可作为锂离子电池在大规模储能领域的重要补充技术，具有重要的经济价值和战略意义。相比于其他类型钠离子电池正极材料，层状过渡金属氧化物具有制备工艺简单、比容量高、离子电导率高、环境友好以及工业化生产放大的优势而受到越来越多的关注。根据钠离子在过渡金属层间的占位方式不同和单位晶胞氧层堆积方式的差异，层状正极材料热力学稳定相主要分为P2型和O3型两类。O3型正极材料Na_xTMO₂(0.7 < x ≤ 1.0)的钠离子占据八面体位点，氧层以ABCABC的方式排列，通常显示出高理论容量和潜在可用性。然而，由于Na离子需要克服高能垒才能通过四面体间隙，大多数O3型正极表现出较差的电化学动力学和复杂的相变过程，导致容量快速衰减。同时，大多数O3型层状氧化物对潮湿的空气环境不稳定，限制了其应用。另外，P2型正极材料Na_xTMO₂(0.44 < x ≤ 0.7)中，钠离子采取三棱柱的占位方式，氧层排列为ABBA，具有开放的棱柱形通道，因此具有快速的钠离子传输动力学和高结构稳定性。

图1. P2/O3-NaNMS异质结构正极材料的原子结构表征，理论计算以及充放电过程中晶体结构演变示意图

近日，我校化材学院碳中和技术创新研究院侴术雷/肖遥/朱燕芳团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》上发表题为“Formulating High-Rate and Long-Cycle Heterostructured Layered Oxide Cathodes by Local Chemistry and Orbital Hybridization Modulation for Sodium-ion Batteries”的研究论文。本文提出基于局域化学与轨道杂化定制化构筑P2/O3异质结构层状氧化物正极材料用于高倍率长循环性能钠离子电池。基于经典的P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂正极材料作为概念研究模型，通过Sn元素局域取代Mn元素过渡金属位点，成功设计具有P2组成，但表现出P2/O3的反常异质结构。采用宏观和原子尺度的球差电镜表征技术进一步证实P2/O3-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Sn_1/3O₂ (P2/O3-NaNMS)层状异质共生结构。该正极材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性（在2C下，循环600圈后容量保持率高达82.16%），且对硬碳负极展现出优异的兼容性。同时，P2/O3-NaNMS正极材料的煅烧形成过程与充放电过程中高度可逆的P2/O3-P2/O3/P3-P2/P3-P2/O3/P3- P2/O3动态演化过程也通过原位高温XRD与原位充放电XRD得到揭示。另外，运用理论计算从作用机制进一步阐述了Sn元素取代对材料本征的局域电子结构与轨道杂化及其结构特性和电化学行为的影响。相关研究结果发表于《Advanced Materials》（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202695），BAT365唯一官网碳中和技术创新研究院为第一通讯单位，BAT365唯一官网肖遥瓯江特聘教授为本文第一作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202695