庄卫东教授、肖必威教授，CEJ观点：原位转化表面残碱，一箭双雕解决钠电正极稳定性难题

第一作者：吴劲频

通讯作者：庄卫东*，肖必威*，孙学义*

单位：北京科技大学，有研（广东）新材料技术研究院

钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉，在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，高容量层状氧化物正极在空气中极易与 H2O和CO2反应产生残碱（NaOH、Na2CO3），导致浆料凝胶化及性能衰减，极大增加了工业生产成本和难度。此外，充放电过程中的复杂相变及过渡金属溶解亦是限制其循环寿命的关键因素 。因此，协同提升层状氧化物正极的空气稳定性与循环稳定性，已成为推动其实用化进程的核心课题 。

近日，北京科技大学庄卫东教授、孙学义研究员与有研（广东）新材料技术研究院肖必威教授合作，在著名学术期刊 Chemical Engineering Journal上发表了题为“Converting residual alkali into sodium-ion conductor to improve cycle stability and air stability of layered oxide cathodes for SIBs”的研究论文。该论文提出了一种“变废为宝”的协同改性策略，通过原位反应将有害的表面残碱转化为钠离子导体NaNbO3，并结合Nb5+体相掺杂，构筑了兼具物理防护与离子传输加速功能的界面层。该策略为解决层状氧化物正极材料在空气稳定性与长循环稳定性问题提供了新的解题思路。

结构精修证实 Nb5+掺杂扩大了钠层间距，有利于Na+迁移。电子局域函数分析表明，引入的强键态Nb-O键显著提升了晶体结构的稳定性 。XPS 深度刻蚀显示Nb与Mn元素从表面至体相呈梯度分布，证实了NaNbO3涂层的存在 。表面O 1s信号显示 C=O与C-O含量下降，pH测试验证了残碱向钠离子导体的成功转化。

NaNbO3缓解了表面副反应并抑制了 SEI 膜的过度生长，从而提升了首圈库仑效率 。容量微分曲线显示改性后材料表现出更小的极化，同时改性后的材料具有更好的倍率性能和循环稳定性。GITT测试与CV测试均表明Nb5+体相掺杂与NaNbO3包覆有助于改善Na+迁移能力。

材料在充放电过程中遵循P2-P'2的可逆演变路径，展现出优异的晶格稳定性。对比发现 NNFM@3N 在的衍射峰位移明显减小，说明改性能有效缓解晶格参数的剧烈波动。此外，NaNbO3的特征峰在循环中保持恒定，作为“刚性框架”缓解了机械应力，保护了体相结构的完整性 。

在高湿度及CO2环境下，NNFM@3N 成功降低了水合物相的生成，维持了P2相结构 。FTIR定性分析了空气暴露后材料中所含官能团。酸碱滴定与TGA测试证实，改性材料在暴露后产生的残碱含量及吸水增重显著降低。理论计算显示，Nb5+掺杂提高了Na+脱出和H2O分子嵌入晶格的反应能垒，从分子能级角度解释了空气稳定性的提升本质 。

Converting residual alkali into sodium-ion conductor to improve cycle stability and air stability of layered oxide cathodes for SIBs

庄卫东，工学博士，教授，博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才，首批“新世纪百千万人才工程国家级人选”，国务院政府特殊津贴专家。北京科技大学“稀贵金属绿色回收与提取”北京市重点实验室主任，兼任中国稀土学会发光专业委员会副主任、中国物理学会发光分会理事、中国金属学会熔盐委员会委员、Rare Metals编委、Journal of Rare Earths编委、International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials编委。主要从事能量转换与存储材料及其循环利用方面的研究，先后承担国家863、973等20余项重要科研课题，发表SCI收录论文200余篇（单篇最高他引1000余次），授权国内外发明专利60余项，获中国有色金属工业科学技术一等奖4次、二等奖3次，获第十三届中国专利优秀奖和2010年度百件优秀中国专利。

孙学义，工学博士，北京科技大学研究员，硕士生导师。长期从事锂离子电池电极材料、钠离子电池电极材料等能源材料的开发及锂离子电池电极材料修复再生研究及其工程化技术开发。承担或参与国家及北京市重点研发项目5项；获中国有色金属工业科学技术奖一等奖1项；获发明专利10多项，在Adv. Funct. Mater.、J. Power. Sources.等高水平学术期刊上发表论文多篇。具有丰富的正极材料开发和产业化推广经验，曾建设多条正极材料量产线。

肖必威，博士，中国有研科技集团能源领域青年总师、教授，北京有色金属研究总院博士生导师，有研(广东)新材料技术研究院钠离子电池研发中心主任。现任中国材料研究学会理事。毕业于加拿大西安大略大学孙学良院士课题组，随后在美国西北太平洋国家实验室先后担任博士后和材料科学家。在ACS Energy Lett, Nat. Commun, Adv. Mater, Angew. Chem, Nat.Mater, Adv. Energy Mater, Energy Environ. Sci, Nat. Sci. Rev等高水平期刊共发表论文100余篇，授权中国专利7件。论文共计引用9300余次，H因子50。获“中国有色金属学会会杰出青年工程师奖”、“中国材料研究学会青年科技奖”等。在国内外会议、论坛共作口头报告50余次。担任Joule, Nature Communication等期刊独立审稿人、广东省科技厅“新型储能技术路线图”编制专家、美国化学会（ACS）2021年春季会议电池分会场承办人。

吴劲频，北京科技大学冶金工程在读博士，研究方向为层状氧化物正极材料与聚阴离子型正极材料。