【材料】P型锰基层状氧化物中钠位点调控以改善材料电化学性能

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鉴于P型正极中不同位点的钠离子（边共享Nae和面共享Naf）具有不同的电化学动力学特性，本研究建立了P’2结构的高容量与其高Nae/Naf比值之间的直接关联。在此指导下，提出了一种结合淬火处理和Ti/Fe共掺杂双重设计策略，以制备兼具高容量和高稳定性的P’2-Na0.67Ti0.1Fe0.05Mn0.85O2正极，为提高钠离子电池锰基层状正极的可逆容量提供了新途径。

实现高可逆容量仍然是开发先进钠离子电池正极材料的核心挑战。P型锰基层状氧化物（通常为NaxMnO2，0.5< x< 0.8）因其高理论比容量、较少的相变和快速钠离子动力学而引起了广泛关注。其中，在相同工作条件下，P’2型层状氧化物正极因其能够提供比P2型更高的容量，已成为有前景的正极材料。然而，P’2型结构中这种容量增加的机制仍然知之甚少，并且由于大量的钠离子的脱出/嵌入，容量迅速衰减，这常常诱发相变、钠离子/空位有序化，最终导致材料结构坍塌。

鉴于P型正极中不同的Na+占位环境（边共享Nae和面共享Naf）具有不同的电化学特性，本研究建立了P'2结构的高容量与高Nae/Naf比之间的直接相关性。理论模拟证实，P’2结构可以容纳更多的Na+在Nae位点，而Nae位点则表现出更低的迁移能垒。基于这一见解，黄富强教授团队提出了一种双重设计——结合淬火处理和Ti/Fe共掺杂——以获得兼具高容量和高稳定性的P'2-Na0.67Ti0.1Fe0.05Mn0.85O2正极。淬火使得材料能够保持P'2结构，该结构具有更高的Nae/Naf比，约为2.1（典型的P2结构约为1.0），因此在2.0-4.0 V之间0.1 C倍率下提供了更高的可逆容量190.3 mAh g-1（对比样仅表现出130.2 mAh g-1的比容量）；此外，在P'2-Na0.67MnO2中引入Ti4+和Fe3+还可以抑制Na+/空位有序，从而达到稳定材料结构的效果。因此材料展现出优异的循环稳定性，在5 C倍率下循环350次后容量保持率达到96.9%。该策略为提高钠离子电池锰基层状正极的可逆容量提供了一种新的途径。

图1. 材料的合成及结构变化示意图。

图2. 电化学性能。(a) NTFM-QU和NTFM-NC样品在2.0-4.0V电压范围内首圈的充放电曲线。(b) NTFM-QU和NTFM-NC样品在0.1-10C倍率下的倍率性能。(c) NTFM-QU和NTFM-NC样品在2.0-4.0V电压范围内、1C倍率下循环150次的循环性能。（d）在2C倍率下循环200次的循环性能。（e）在5C倍率下循环350次的循环性能。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是肖美静、周策和董武杰。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Regulating Na-Ion Occupations of P-Type Na0.67Ti0.10Fe0.05Mn0.85O2 for Improving Electrochemical Reversibility and Kinetics

Meijing Xiao, Ce Zhou,Wujie Dong, Yuge Cao, Tianxun Cai, Shiyu Zhang, ZhengYao Li, Kai Sun, Dongfeng Chen, Hongliang Dong, Wei Zhao, Hui Bi, Fuqiang Huang

J. Am. Chem. Soc., 2026, DOI: 10.1021/jacs.5c23314

研究团队介绍

黄富强，现任上海交通大学材料科学与工程学院讲席教授。国家杰出青年基金获得者、科技部重点领域创新团队负责人、国家重点研发计划首席科学家、国家百千万人才工程专家、国家万人计划入选者、国家有突出贡献中青年专家。

长期从事无机固体化学、能量转换材料创制与器件应用研究。相关成果已通过国家重大标志性工程装备的验证与应用。以第一作者或通讯作者身份在国内外高水平期刊发表学术论文700余篇，其中Science论文2篇、Nature子刊20余篇，论文总被引46,200余次，H指数106，多次入选全球高被引科学家名单。获授权中国发明专利192余项，美国、日本、欧洲等国际专利23项，其中60项成果实现产业化应用。累计承担国家级及省部级课题40余项。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：该研究的初衷是解决钠离子电池P型锰基层状正极材料中可逆容量不足的问题。研究团队在比较P2和P'2结构材料电化学性能差异时提出一个关键设想：晶体结构中不同Na位点（Nae与Naf）的占据比例可能直接影响钠离子的迁移行为和容量表现。因此，团队尝试通过调控Na在不同位点的分布来优化材料结构，从而提升钠离子电池正极材料的容量和动力学性能。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：研究过程中最大的挑战在于精确确定材料中Nae与Naf位点的占据比例，并验证其对电化学性能的影响机制。由于两种Na位点在结构中的差异较为细微，需要结合中子衍射、同步辐射XRD、固体核磁共振以及第一性原理计算等多种先进表征和理论手段进行系统分析，这对实验条件和数据解析提出了较高要求。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究提出的通过调控Na位点占据来提升材料性能的策略，为设计高容量、高稳定性的钠离子电池正极材料提供了新的思路。相关成果有望推动低成本储能电池的发展，在大规模储能、电网调峰以及可再生能源配套储能系统等领域具有潜在应用价值。

信息来源：X-MOL资讯

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