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广西大学尹诗斌，ESM综述：Na1-δNixFeyMnzO2正极在高能量密度与长循环寿命钠离子电池中的进展与展望

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2025-09-09

导读：广西大学尹诗斌，ESM综述：Na1-δNixFeyMnzO2正极在高能量密度与长循环寿命钠离子电池中的进展与展望

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文章信息

Na_1-δNixFeyMnzO₂正极在高能量密度与长循环寿命钠离子电池中的进展与展望

第一作者：刘倩

通讯作者：尹诗斌

单位：广西大学

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研究背景

钠离子电池（SIBs）因其成本低、安全性高及优异的电化学性能而备受关注。开发高性能、低成本的正极材料是实现钠离子电池商业应用的关键。在众多正极材料中，无钴Na_1-δNixFeyMnzO₂正极材料（NFMCMs）因其高容量、低成本及环保特性，成为最具商业应用潜力的候选材料之一。然而，NFMCMs仍面临复杂相变、空气稳定性差、热稳定性差等严峻挑战，严重阻碍NFMCMs的大规模应用。因此，必须深入理解其降解机制及其与改性策略的内在关联，这将有助于缩小SIBs实际应用与理论能量密度之间的差距。本文首次系统综述NFMCMs研究进展，阐明其晶体结构、充放电机理、失效机制及改性策略，并分析展望该材料的前景与未来发展方向。旨在为开发适用于高能量密度、长循环寿命钠离子电池的高性能NFMCMs提供指导。

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文章简介

近日，广西大学尹诗斌教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Progress and perspective of Na_1-δNixFeyMnzO₂ cathode for high-energy-density and long-cycle-life sodium‐ion batteries”的综述文章。首次系统综述了无钴Na_1-δNixFeyMnzO₂正极材料的研究进展，全面梳理了其主要失效机制及改进策略。首先阐述NFMCMs的晶体结构与充放电机理，随后针对其复杂相变、空气稳定性差及热稳定性差等问题展开综合探讨。还系统梳理了已提出的改进策略，包括离子掺杂、包覆及结构设计等策略。最后展望了NFMCMs的未来研究方向与发展前景。本综述旨在为开发适用于高能量密度、长循环寿命钠离子电池的高性能NFMCMs提供指导，从而推动钠离子电池的大规模商业化应用。

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本文要点

要点一：NFMCMs面临的挑战

NFMCMs因其高容量、低成本和环保特性而广受关注，成为最具商业应用潜力的候选材料之一。然而，NFMCMs在实际应用中仍面临复杂相变、空气稳定性差及热稳定性不足等问题。

要点二：NFMCMs优化策略

NFMCMs存在空气稳定性差、复杂相变及热稳定性差等问题，导致结构退化和容量衰减。为提升NFMCMs性能，提出了多种改进策略，主要可归纳为：1）掺杂外来离子（阳离子或阴离子）以稳定基体材料结构；2）表面涂覆保护层防止电解液侵蚀；3）通过结构设计降低内部应力以提升稳定性。这些策略多维度提升NFMCMs电化学性能，为高能量密度与长循环寿命钠离子电池正极材料研发提供支撑。

图1. NFMCMs主要挑战与优化策略示意图。

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总结与展望

NFMCMs由于其理论容量高、成本低且环保，被视为钠离子电池最具前景的正极候选材料。然而，其复杂的相变特性、较差的空气稳定性和热稳定性等挑战，严重制约了该材料的大规模应用。本文首次系统综述了NFMCMs的研究进展及改性策略，涵盖杂原子掺杂、表面包覆及结构设计等方向。尽管通过这些改性策略可以改善NFMCMs电化学性能，但为推动其商业应用，仍需在以下研究方向展开系统性深入性研究：

1）机理分析：进一步探究NFMCMs性能退化机理及优化策略的改进，指导后续SIBs的发展。需结合中子衍射、同步辐射、X射线衍射、球差校正扫描透射电子显微镜等先进表征技术与理论计算，多尺度研究材料的原子位点占据率、化合价变化、电子及结构特性，深入理解NFMCMs的晶体结构、化学/电化学性质与Na+储存性能之间的关系。

2）优化策略的整合：尽管现有的多种改性策略在提升NFMCMs性能方面已见成效，但在导电性、表面稳定性和电化学性能方面仍存在优化空间。根据材料特性，整合两种或多种改性策略以发挥协同效应，更有利于提升NFMCMs的整体性能。此外，为降低成本，可运用密度泛函理论、分子动力学、混合蒙特卡罗等理论计算方法快速筛选适宜的改性方法，并预测其与电化学性能的复杂关联。

3）宽温域NFMCMs：开发适用于钠离子电池的宽温域层状氧化物正极材料，一直是实现大规模储能的关键方向之一。值得注意的是，低温环境下的核心问题在于电解液导电性降低、钠离子扩散率下降以及电极-电解液界面电荷转移过程缓慢。高温环境可能引发电解液分解、电极材料反应加剧及SEI层破坏，导致大量的热量与气体产生。因此，针对NFMCMs材料，仍需通过额外改性或设计来促进钠离子扩散、维持结构稳定性，并构建新型界面以降低电荷转移电阻。例如，可采用溶剂热法构建具有选择性取向的（010）晶面，有效改善晶体结构中钠离子的扩散动力学特性。

4）促进商业化应用：基于NFMCMs的特性，选取适合的负极材料及不易分解的电解液组装，以评估其实用性，从而明确工作温度范围、气体产生问题及整体安全性，推动NFMCMs的商业应用。同时需关注单位能量成本，该指标与正负极材料制造成本及电解液用量密切相关。

图2. NFMCMs的四个重要未来发展方向：（a）机理分析；（b）策略整合；（c）宽温域；（d）促进实际应用。

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文章链接

Progress and perspective of Na_1-δNixFeyMnzO₂ cathode for high-energy-density and long-cycle-life sodium‐ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104575

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通讯作者简介

尹诗斌：教授、博士生导师，广西电化学能源材料重点实验室主任。研究方向：电催化与电合成、化学储能电源、石墨烯宏量制备及应用开发等。迄今已在Energy & Environmental Science、Advanced Materials等专业期刊发表学术论文170余篇（热点论文4篇，高被引论文15篇，封面论文3篇）。2022-2024年连续3年入选全球前2%顶尖科学家榜单，2024年入选化学领域全球前1%顶尖科学家榜单。以第一申请人申请中国发明专利30余件（已授权专利15件），出版专著2部，参与撰写广西地方标准3项。主持国家自然科学基金、广西自然科学基金等各类型项目共计30余项。入选广西百人计划、广西卓越学者和创新团队，2017年获广西石墨烯系列标准奖励，2019年获广西自然科学一等奖。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/ysblab