西湖大学Energy Storage Materials：高温热冲击助力钠离子电池正极材料快速优化

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导语

在储能技术不断发展的今天，钠离子电池（SIBs）因其丰富的钠资源和成本优势，正在成为替代锂离子电池的有力选择。西湖大学科研团队最新研究成果，展示了通过高温热冲击（HTS）技术提升钠离子电池正极材料性能的突破性进展，为推动SIBs的规模化应用提供了重要技术支持。该研究成果于2024年11月8日发表于国际期刊《Energy Storage Materials》。

论文概要

随着全球对可持续储能解决方案需求的增加，钠离子电池（SIBs）凭借其成本效益与地壳中钠资源的丰富性，被认为是下一代储能技术的潜在选择。尽管如此，钠离子电池在实际应用中仍面临诸多挑战，特别是材料合成过程中的高能耗、长周期以及较差的循环性能。解决这些问题的关键是开发高性能的正极材料。为此，西湖大学的研究团队提出了一种全新的高温热冲击（HTS）策略。

2024年11月8日，西湖大学向宇轩、Xiangsi Liu等人在期刊《Energy Storage Materials》上发表了题为“Ultrafast Lattice Engineering for High Energy Density and High-Rate Sodium-Ion Layered Oxide Cathodes”的论文。该研究采用HTS策略，通过快速升温、烧结和冷却过程，优化钠离子层状氧化物材料的微观结构。HTS技术不仅提高了材料的能量密度、倍率性能和循环稳定性，还展现出其对不同材料的适用性和广泛应用潜力。

研究亮点

1. 高温热冲击的创新应用：首次将HTS应用于钠离子正极材料快速优化，大幅提升了电池性能，为SIBs正极材料的低成本合成开辟了新途径。
2. Mn空位与堆叠错位的精准控制：通过HTS有效控制Mn空位和层堆叠错位，从而优化了Na+的排列结构和电化学稳定性。
3. 性能的显著提升：NMO-HTS正极材料在倍率性能和循环稳定性上优于传统方法合成的材料，表现出更优的电化学性能。
4. 普适性和通用性：该HTS策略不仅适用于Mn基材料，还适合Ni基和Fe基材料，并可激活退化的材料，展现了广泛的适用性。

图文导读

图1. HTS技术与传统烧结方法对比

采用高温冲击（HTS）技术超快速合成P2-Na0.67MnO2（NMO），该技术仅需约70秒，显著提高了钠离子电池的能量密度，使其能量密度提高21.5%，在10C倍率下表现出108 mAh/g的优异性能。

图2. NMO-HTS和NMO-MF的微观结构对比

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像展示了NMO-MF和NMO-HTS在晶体结构上的差异。HTS处理的材料晶格间距有所增加，表明该技术能够影响晶体结构的稳定性。

图3. 电化学性能比较

电化学测试结果表明，NMO-HTS材料的能量密度、倍率性能和循环稳定性均优于常规方法合成的材料。

图4. 离子迁移率与晶体结构演变

GITT和XRD分析进一步证实了HTS技术提高了Na+的迁移率，减少了结构转变。

图5. Mn空位的影响

XPS、EPR和XANES分析显示，HTS处理显著减少了Mn空位，增加了材料的氧化还原活性中心。

图6. HTS参数对材料性能的影响

HTS烧结条件的调整（如冷却速率和烧结温度）对材料微观结构的影响研究，揭示了堆叠错位的形成机制。

图7. HTS技术的普适性与可扩展性

研究表明，HTS技术对镍基、铁基和多种钠离子层状氧化物材料均有效，可用于材料结构的优化和性能的增强。

总结与展望

西湖大学的研究团队创新性地将HTS技术应用于钠离子电池正极材料的合成过程，显著提升了材料的电化学性能，开启了低成本钠离子电池材料的快速合成与优化新思路。未来，通过HTS技术，钠离子电池有望实现更广泛的应用，满足更大规模的能源储存需求。

深圳中科精研——焦耳高温热冲击设备的领先制造商

在高温加热与材料合成领域，深圳中科精研推出了多款高温焦耳加热设备，包括HTS超快加热装置，致力于满足钠离子电池高温冲击技术的需求。这些设备在极短时间内实现材料的快速加热、冷却，特别适用于高能效、低能耗的钠离子电池正极材料制备，为新能源材料合成提供了精准、高效的解决方案。

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