研究背景
O3 型層狀氧化物憑借其低成本與高能量密度的顯著優(yōu)勢，吸引了眾多研究者的目光，成為該領(lǐng)域的研究熱點。然而，這類材料在實際應(yīng)用中面臨著一個嚴峻挑戰(zhàn)：在長期循環(huán)過程中，電池容量出現(xiàn)快速衰減的現(xiàn)象，嚴重制約了其商業(yè)化進程。深入研究發(fā)現(xiàn)，這一問題的根源在于充放電過程中Na+離子分布不均，導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力分布失衡，進而引發(fā)微裂紋；微裂紋的不斷擴展與累積最終致使材料發(fā)生機械失效，造成電池容量的不可逆損失。
研究內(nèi)容
在此，韓國漢陽大學(xué)的 Yang-Kook Sun 教授團隊通過界面重構(gòu)策略成功研發(fā)出一種兼具高能量密度與長循環(huán)壽命的O3型復(fù)合正極材料。精心定制的界面重構(gòu)層由快離子導(dǎo)體NaCaPO4表面包覆層與梯度Ca2+摻雜內(nèi)界面層協(xié)同構(gòu)成；其中，NaCaPO4表面包覆層有效增強了層狀氧化物正極的表面化學(xué)穩(wěn)定性，梯度Ca2+摻雜內(nèi)界面層促使顆粒內(nèi)相變均勻，降低晶格失配，保證Na+空間分布均勻，并借助釘扎效應(yīng)抑制微裂紋形成。優(yōu)化的樣品在高電壓及-10至50°C的寬溫度區(qū)間內(nèi)，展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能與可靠的長循環(huán)穩(wěn)定性。通過鈉離子全電池和無負極電池驗證了該復(fù)合正極的實際可行性，尤其是其與硬碳負極組裝的軟包全電池，在0.5 C充放電倍率下循環(huán)300圈后，容量保持率高達82.9%，充分彰顯了此策略的實用潛力。值得一提的是，該界面重構(gòu)策略具備良好的通用性與擴展性，有望廣泛應(yīng)用于其他層狀氧化物正極材料的研發(fā)，為推動先進鈉離子電池的層狀氧化物正極材料的發(fā)展提供了有價值的新思路。
圖文解讀
圖1. 所制備的復(fù)合正極材料的示意圖和結(jié)構(gòu)表征
圖2. NFMMT/NaCaPO4在Na半電池中的電化學(xué)性能
圖3. NFMMT/NaCaPO4在鈉離子全電池和無負極鈉電池中的電化學(xué)性能
圖4. NFMMT/NaCaPO4的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)分析
圖5. 晶體結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分的循環(huán)后分析
結(jié)論展望
本研究采用濕化學(xué)法將定制重建層精準修飾于O3型正極表面，有效解決了界面退化與機械失效難題。保護涂層通過構(gòu)建快速離子擴散通道、消除表面殘鈉并抑制寄生副反應(yīng)，同步提升了層狀氧化物的倍率性能與熱/空氣穩(wěn)定性。梯度Ca2+摻雜策略進一步誘導(dǎo)均勻相變并降低Na+濃度梯度，顯著緩解內(nèi)應(yīng)力累積，強化結(jié)構(gòu)完整性。優(yōu)化后的正極展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)特性：10C倍率下比容量達105.3 mAh g-1，0.5 C循環(huán)300圈容量保持率81.0%，且在4.5 V高壓、50 ℃高溫及-10 ℃低溫極端條件下仍保持穩(wěn)健循環(huán)性能。該界面重構(gòu)策略具有普適性，可為層狀氧化物材料體系提供通用優(yōu)化方案，為開發(fā)高性能鈉離子電池正極材料提供了重要理論支持。
原文詳情：
Xinghui Liang, Xiaosheng Song, H. Hohyun Sun, Hun Kim, Myoung-Chan Kim and Yang-Kook Sun, High-energy and long-life O3-type layered cathode material for sodium-ion batteries, Nat. Commun., 16, 3505 (2025).
DOI: 10.1038/s41467-025-58637-1
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58637-1
