近日，内蒙古大学物理科学与技术学院徐淑银教授团队联合中国科学院物理研究所胡勇胜研究员、容晓晖研究员及上海大学吕迎春研究员，在钠离子电池正极材料领域取得重要进展。相关成果以“Rational Design of High-Na P2-Type Cathodes for Sodium-Ion Batteries: Unveiling Phase Formation Principles and Composition-Structure-Performance Correlations”为题发表于国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society(JACS)。内蒙古大学为第一单位，我校物理科学与技术学院硕士研究生周羿彤与化学化工学院吴进芳副教授为该论文的共同第一作者。

高性能P2相层状氧化物材料一直是钠离子电池正极产业化发展的一个重要方向，但其综合性能的提升受到多种因素限制。该团队首先提出综合改性策略——提高初始钠含量、降低Ni/Fe含量、优化Mn3+/Mn4+比例以及Li掺杂激活阴离子氧化还原，并据此设计一系列高钠含量P2相层状氧化物，揭示了Fe含量与Mn3+/Mn4+比例协同调控相形成的规律：在固定铁含量的情况下，较高的Mn3+浓度有利于P2相的形成，而较高的Mn4+浓度则促进混合P2/O3相的形成；随着铁含量增加，需要相应提高Mn3+/Mn4+比例以维持单一的P2相结构，两者呈现几乎线性的相关性(y = 5.26x - 0.12)。进一步对材料的性能进行相关性分析，获得材料性能的关键影响因素并确定最佳元素组成范围，从而设计出最优组成Na0.8Li0.07Fe0.12Ni0.11Mn0.7O2（简称N0.8LFNMO），能够兼顾低成本和高性能。

图1. (a) 基于Fe含量和Mn3+/Mn4+比值的Li-Fe-Ni-Mn-O系列材料相图；(b) 电化学性能与关键因素之间的相关性分析；(c) Fe、Ni和Mn4+之间的数据拟合关系

该材料在2.54.5 V电压区间内，0.1 C倍率下的可逆容量达125.8 mAh g-1，1 C循环500次容量保持率为81.6%。该材料与硬碳组装的全电池能量密度达268.1 Wh kg-1，在低镍材料中极具竞争力。原位XRD显示充放电过程中材料晶胞体积变化仅1.5%，未发生有害P2O2相变，结构稳定性优异。这项研究系统揭示了高钠P2相层状氧化物的相形成机理，建立了一套成分结构性能关联的设计范式。所设计的N0.8LFNMO正极材料集高容量、长循环、高能量密度和优异空气稳定性于一体，且镍含量极低，有望显著降低钠离子电池的制造成本，推动其在规模化储能领域中的实际应用。

图2. N0.8LFNMO在以下电压范围内0.1 C倍率下的充放电曲线：(a) 2.0-4.3 V、(b) 2.5-4.3 V以及(c) 2.5-4.5 V；(d) N0.8LFNMO在0.1 mV s-1扫速下的循环伏安曲线；(e) N0.8LFNMO在0.1 C至10 C下的倍率性能；(f) N0.8LFNMO的GITT曲线；(g) N0.8LFNMO的循环性能

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、内蒙古自治区“青年科技人才”计划等相关基金项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c20111

（来源：科学技术处       编辑：武涛       审核：李文娟       终审：阿茹娜）