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鈉離子電池是極具潛力的新一代電化學(xué)儲能技術(shù)，具有無資源限制、低成本、高安全等優(yōu)勢，同時由于鈉離子較低的溶劑化效應(yīng)，其低溫性能也備受期待。在當(dāng)前“雙碳”背景下鈉離子電池用于大規(guī)模儲能的呼聲越來越高。因此具有較高的平臺電位，良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高比容量的錳基層狀氧化物引起了人們的廣泛關(guān)注，是鈉離子電池最具商業(yè)化前景的正極材料之一。然而，鈉離子緩慢的擴散動力學(xué)和不利的電解質(zhì)界面形成導(dǎo)致層狀氧化物材料的倍率性能和低溫性能并不能令人滿意，是鈉離子電池商業(yè)化亟待解決的主要瓶頸之一。該工作提出了一種高鈉P2 型Na_0.78Ni_0.31Mn_0.67Nb_0.02O₂ (P2-NaMNNb) 正極活性材料，通過微量Nb摻雜構(gòu)建了富Nb表面重構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)不僅可以有效阻礙過渡金屬離子在循環(huán)過程中的溶解，并且在循環(huán)過程中會形成一層厚度僅為2-5 nm的正極-電解質(zhì)界面；另一方面微量Nb在體相的摻雜可以降低鈉離子的擴散能壘，這一獨特構(gòu)型可大幅提高電極材料的離子擴散和長循環(huán)穩(wěn)定性。基于該材料的半電池在室溫下倍率性能高達50 C，在-40 °C低溫下容量保持率可達室溫的98%，穩(wěn)定循環(huán)次數(shù)可達 1800 次。

                                                                                                              圖1. P2-NaMNNb的原子級結(jié)構(gòu)表征

作者結(jié)合密度泛函理論計算及原位/非原位球差電鏡、原位/非原位XRD，非原位XANES與非原位EELS表征，詳細解析了P2型層狀氧化物材料的倍率提升機制。研究發(fā)現(xiàn)，Nb在P2層狀結(jié)構(gòu)中更傾向于取代表面的Na原子，而在體相中取代Ni原子，從而生成富Nb的表面重構(gòu)曾層。這一富鈮重構(gòu)層在充放電過程中可以形成約 2~5 nm 的薄且堅固的正極-電解質(zhì)界面（CEI），從而在抑制P2-P2'相變和表面溶解、形成穩(wěn)定且薄的CEI層以及阻止水分子進入晶格生成水合相等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，Nb的摻雜可以一定程度減小不同鈉離子位點的勢能差，提升Na離子在體相的擴散系數(shù)。與現(xiàn)有文獻不同，該工作發(fā)現(xiàn)P2型層狀材的高倍率性能并不總是需要依靠全固溶反應(yīng)來實現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)可以在構(gòu)筑層狀材料的時候保持高的充放電平臺，從而在提升倍率性能的同時，不犧牲全電池的能量密度。該工作實現(xiàn)了P2層狀氧化物正極材料倍率和低溫性能的大幅提升，結(jié)合課題組前期研發(fā)的耐低溫硬碳負(fù)極材料(Adv Mater, 2022, 2109282), 使得鈉離子電池的快充和低溫應(yīng)用前景更加光明。

趙玉峰教授團隊研究領(lǐng)域主要集中于電化學(xué)能源材料，重點關(guān)注鈉離子電池和電解水制氫的關(guān)鍵材料及器件，近年已在Nat Comm.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.和Adv. Funct. Mater.等頂級期刊上發(fā)表多篇高水平論文。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金（22179077和51774251）、上海市科委以及上海大學(xué)的大力支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30942-z 

參考資料：https://www.scicol.shu.edu.cn/info/1008/10139.htm