乔羽教授课题组在钠离子电池正极材料结构设计方面取得重要进展。相关成果以“Sustainable layered cathode with suppressed phase transition for long-life sodium-ion batteries”为题发表在Nature Sustainability上（/10.1038/s41893-024-01288-9）。
可充电钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉等优势受到了广泛关注，尤其在大规模储能领域显示出巨大的应用前景。层状钠过渡金属氧化物（NaxTMO2）因其高工作电压和高理论比容量而备受关注。除了与锂离子电池层阴极一样拥有O型结构之外（O 表示八面体），钠离子电池正极还拥有独特的 P 型结构（P表示棱柱形）。其中，碱金属（AM）层中的钠离子占据棱柱形位点，表现出优异的比容量和高倍率性能。然而，P型化合物在高电荷状态下会发生P型到O型的剧烈相变，在长期循环过程中会引发严重的不可逆结构退化，从而严重阻碍其实际应用。
为此，研究团队研究了P2型钠层状阴极的相变起源，通过晶格缺陷工程构造了无相变、可持续的P2-NaFeMnO阴极。具体来说，通过在 TM 层中引入本征空位，研究团队设计出了一种含本征TM空位的P2-Na0.7Fe0.1Mn0.75□0.15O2（"□"代表本征TM空位，VC-NFMO）阴极，避免了高荷电态下的P−O构型转变。均匀分散的本征 TM 空位可显著增加与其相邻的钠离子的迁移能垒，并将钠离子固定在各自AM层内，使P型层在贫钠状态下也得以被保持。与典型的无空位 P2-Na0.7Fe0.33Mn0.67O2（VF-NFMO）阴极中获得的 O/P共生结构相比，贫钠状态下的无相变P型结构具有更高的 TM-O 局部结构稳定性和更低的热失控风险。此外，特定的Na-O-□构型可激发可逆的阴离子氧化还原活性，从而提高阴极的能量密度。利用该工作中设计的P2-NaFeMnO阴极与硬碳阳极匹配组装了170 Wh kg-1和120 Wh kg-1钠离子软包电池，分别在 600 次循环和 1000 次循环后容量保持率仍大于80%，成功构建了可持续、长寿命的钠离子软包电池。
高比能、长循环钠离子电池软包器件循环示意图
该工作是在我院乔羽教授的指导下完成，2022级博士生唐泳麟为第一作者。研究工作得到国家自然科学基金（22021001、22179111、22109186、22272022、52122211、52072323），国家重点研发计划（2023YFB2406200、2021YFA1201900），嘉庚创新实验室基础研究项目（RD2021070401），以及固体表面物理化学国家重点实验室等支持。
