西安交大王鹏飞、肖冰团队揭示钠离子电池抑制电压衰减的新机制

钠离子电池技术的实际应用亟需兼具高能量密度与长循环寿命的正极材料，以满足日益增长的储能需求。层状P2型氧化物正极材料因其工作电压高（超过3.3 V）、空气稳定性优异，且具备高电位氧氧化还原活性，被视为极具前景的候选体系之一。然而，在反复充放电过程中，该类材料经常面临严重的电压衰减问题，这种平均放电电压的持续下降主要归因于结构中的离子迁移及超结构的退化。因此，调控局部超结构单元，并有效抑制钠离子脱嵌过程中的不可逆离子迁移，对于开发高比能、长寿命的钠离子电池正极材料具有重要意义。

针对上述问题，西安交通大学电气学院王鹏飞教授与肖冰教授团队通过调控局部超结构单元，在过渡金属层内构建了长程面内有序排列。所引入的有序LiTiMn₅超结构单元形成了稳定的氧配位环境，有效抑制了高电压下晶格氧的过度氧化；同时，该有序排列阻碍了P型向O型堆叠结构的转变，并提高了层间阳离子迁移的能垒，从而在热力学上限制了不可逆的层间迁移。因此，设计的正极材料的有序结构表现出更高的稳定性，不均匀的晶格应变积累显著减轻，在2.0-4.4 V电压范围内循环100次后容量保持率达96.3%，平均每圈电压衰减仅0.15 mV。该研究通过调控过渡金属层内的有序超结构来抑制阳离子迁移，为缓解钠离子层状氧化物正极的电压衰减提供了科学指导。

该研究成果以《调控局部超结构单元以缓解钠离子电池的电压衰减》（Tailoring Local Superstructure Units to Mitigate Voltage Decay in Na-Ion Batteries）为题，发表在国际顶尖学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。西安交通大学博士生董豪杰为本文的第一作者，西安交通大学王鹏飞教授、肖冰教授，华东师范大学李超研究员为本文的共同通讯作者。论文第一单位为西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心。

该研究工作得到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、西安交通大学青年拔尖人才计划、电工材料电气绝缘全国重点实验室、江苏聚烽新能源科技有限公司、中国科协“青年人才托举工程”、陕西省“高层次人才引进计划”以及西安交通大学思源学者和小米青年学者等经费资助。表征及测试工作得到上海同步辐射光源、合肥同步辐射光源、中国散裂中子源、西安交通大学高性能计算中心以及西安交通大学分析测试共享中心的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.5004922