當前，鈉離子電池因其高經濟效益、豐富的資源以及較好的電化學性能而被廣泛關注，尤其在大規模能源存儲系統中具有巨大的潛力。然而，鈉離子電池的高能量密度和長循環壽命仍然是其應用的關鍵挑戰。在高電壓下，層狀氧化物正極面臨晶格氧不可逆損失、電極與電解質界面副反應等問題。同時，由于鈉離子嵌入/脫出過程中的各向異性晶格膨脹和收縮會引起嚴重的體積變化，造成二次顆粒內應力積累。此外，取向各異的Na+通路及晶界不僅限制了Na+的擴散，也使顆粒內Na+分布不均，產生內應力和局部晶格失配。隨著循環過程的進行逐漸產生晶間裂紋和晶內裂紋，加速電解液滲透和界面副反應，造成正極材料的失效。當前鈉離子電池中主要通過元素摻雜或表面包覆緩解體積變化和界面穩定性問題，但這無法解決材料本身存在的問題。

【工作簡介】

近日，東北大學駱文彬教授團隊以O3型錳基層狀氧化物為研究對象，通過高溫淬火策略構建了兼具機械-化學穩定性的富缺陷復合結構錳基層狀氧化物，其獨特的復合/缺陷結構和界面鈍化效應的協同作用，有效解決了錳基層狀氧化物在高壓鈉離子電池應用中面臨的問題。所得材料在4.5V高電壓窗口下展現出優異的性能。該文章發表在國際期刊Angewandte Chemie上。東北大學博士生楊東潤為本文第一作者。

【內容表述】

通過淬火得到的樣品表面存在大量位錯、卷曲等缺陷，同時，由于淬火界面發生鈉離子的流失，退火處理過程中鈉離子的重新分布形成復合結構。優化淬火水溶液成分后，成功在淬火樣品中引入了氟離子。所得最終樣品平均楊氏模量提高顯著，表現出更優異的機械性能。

通過循環后電極的表征和DFT計算研究發現，表面氟化有效抑制了過渡金屬遷移和溶解，減輕了材料表面副反應。同時復合結構中，氟離子通過強電負性錨定作用增強了表面P2結構中晶格氧的穩定性，縮小了帶隙，提升了電子導電性。對于內部O3結構而言，氟離子的滲入同樣優化了材料內部的電子導電性以及降低體相鈉離子的擴散能壘，提升了動力學性能。

通過對O3型錳基正極采用淬火策略后，設計得到的P2/P3/O3-Na0.89Ni0.3Mn0.55Cu0.1Ti0.05O1.94F0.06在1.5-4.5V的寬電壓范圍內表現出卓越的電化學性能，在 0.1 C（1 C = 150 mA g-1）條件下的可逆容量為187.6 mAh g-1。在0.5 C和1 C下循環 200 次后，可逆容量分別為 133.13 mAh g-1 和 121.89 mAh g-1，保持率分別為87.17%和90.4%。同時，在其與硬碳負極組裝而成的全電池中也表現出很好的穩定性。這項工作為鈉離子電池高性能復合正極材料的開發和穩定機制提供了新的途徑和見解。

【文獻詳情】

Dongrun Yang, Chen Liu, Xuan-Wen Gao, Zhiwei Zhao, Qinfen Gu, Yutong Long, Qingsong Lai, Hong Chen, Zhaomeng Liu, Wen-Bin Luo, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202500939.