中科院Science：钠离子电池层状氧化物材料的合理设计

在国家自然科学基金项目（批准号：51725206）等资助下，中国科学院物理研究所胡勇胜研究员和陆雅翔副研究员团队与荷兰代尔夫特理工大学马尼克斯·维基梅克（Marnix Wagemaker）教授及法国波尔多大学克劳德·戴尔马（Claude Delmas）教授等合作，在钠离子电池层状氧化物研究领域取得进展。研究成果以“钠离子电池层状氧化物材料的合理设计（Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries）”为题，于2020年11月6日在线发表在《科学》（Science）杂志上。

层状氧化物因其具有周期性层状结构和二维离子传输通道，成为研究较早的一类嵌入型化合物。钠基层状氧化物（通式为NaxMO2，M为一种或多种过渡金属元素或其他掺杂元素）具有制备方法简单、压实密度高和能量密度高的特点，是钠离子电池的主要正极材料。

戴尔马（Delmas）等根据MO6(过渡金属和氧形成的八面体)中钠离子的配位环境，将层状氧化物分为O和P两种构型（O是Octahedral的缩写，即八面体位置；P为Prismatic的缩写，即三棱柱位置），其中O3和P2是钠离子电池层状正极材料中最常见的两种结构（数字代表氧原子层最少重复单元的堆垛层数，如2对应ABBA…，3对应ABCABC…）（图1A）。

图1. 离子势及其在钠离子层状氧化物中的应用

在材料制备合成中，钠含量以及过渡金属元素种类、价态及组成都可能导致层状材料的结构不同，进而影响正极材料的电化学性能。然而，除了通过对合成出的材料进行物理表征以确定其具体构型外，目前还没有能够在材料设计过程中直接预测层状材料的堆叠结构的方法。

研究团队引入“阳离子势（Φcation）”这一变量参数，通过将NaxMO2中过渡金属或其他掺杂元素的加权平均离子势、钠的加权平均离子势对氧阴离子势进行归一化，通过描述阳离子的电子云密度和极化程度，从而捕获电荷在Na层（O-Na-O）和M层（O-M-O）的相互作用，以指示O3型结构和P2型结构之间的竞争关系。

为了更直观的区分O3和P2结构，该团队将大量已得到实验验证的O3和P2材料分布在以Φcation为横坐标、为纵坐标的直角坐标系中，发现可以用拟合出的“分界线”区分O3和P2两种构型，从而得到O3和P2结构的“相图”（图1B）。利用该相图可以指导层状氧化物材料的设计，例如，对于具备特定Na含量的层状材料，要获得P2结构，可以通过增加阳离子势进行调控；阳离子势的增加意味着M周围的电子云密度增强、与层间O的静电斥力增强，从而导致d(O-M-O)间距的减小和d(O-Na-O)间距的增加，这有利于获得P2构型。

为了进一步验证该方法在材料合成中的实际指导作用，该团队以Na[Li1/3Mn2/3]O2为初始组成，通过调控阳离子势合成出了富钠O3-Na[Li1/3Ti1/6Mn1/2]O2和高钠P2-Na5/6[Li5/18Mn13/18]O2两种纯相层状氧化物材料，展现了其优异的电化学性能。最后，研究发现，用阳离子势调控钠基层状氧化物结构的方法在锂和钾的层状氧化物中也同样适用。

该工作不仅为层状氧化物结构的设计提供了新的方法，而且通过实验确认了该简单方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备奠定了坚实科学基础。

https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708