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陕西科技大学CEJ：电荷补偿调控和晶体生长优化协同促进钠离子电池P2型层状正极的储钠性能

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2025-02-08

导读：陕西科技大学CEJ：电荷补偿调控和晶体生长优化协同促进钠离子电池P2型层状正极的储钠性能

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文章信息

Chemical Engineering Journal Charge Compensation Modulation and Crystal Growth Optimization Synergistically Boosting a P2-Type Layered Cathode of Sodium-Ion Batteries

第一作者：郑璐

通讯作者：景盼盼（陕西科技大学）jingpanpan@sust.edu.cn，刘梦婷（西安交通大学）mengtingliu@xjtu.edu.cn

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研究背景

钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、温度适应性强和成本低等优势，被认为是最有前途的电网规模储能装置候选者之一。正极材料作为电压和容量的重要载体，决定着SIBs的最大能量密度。层状过渡金属氧化物（Na_xTMO₂，TM = Ni，Fe，Mn等）由于其易于合成、理论容量高和环境友好等优点，成为了研究最广泛的正极活性材料。P2型正极往往表现出较低的初始容量，在某些充电状态下容易发生Na⁺/空位有序和相变（P2-O2，P2-OP4）且易自发地引发O^2-/O^2n-电对的大量氧氧化还原反应，这些因素最终导致层状氧化物正极材料仍面临结构稳定性不佳和离子扩散动力学缓慢的挑战。

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文章简介

近日，陕西科技大学的景盼盼副教授和西安交通大学的刘梦婷助理教授等人在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Charge Compensation Modulation and Crystal Growth Optimization Synergistically Boosting a P2-Type Layered Cathode of Sodium-Ion Batteries”的文章。该文章通过实施电荷补偿机制和晶体生长优化的协同方案策略，对一种P2-Na_0.76Li_0.1Ni_0.23Mn_0.67O₂（NLNM-Li_0.1）正极材料进行性能优化。该正极不仅表现出显著增强的Ni²⁺/Ni³⁺/Ni⁴⁺的氧化还原反应，还减轻了Jahn-Teller畸变，抑制了高电压下的氧损失；同时在钠离子脱/嵌过程中实现了无应变的晶体结构演变且无相变。此外，其单晶颗粒特性表现出均匀的正极-电解质界面层和直接的钠离子扩散路径，对电极在循环过程中产生的严重副反应和内部微裂纹进行有效抑制。因此，得益于增强的结构稳定性和钠离子扩散动力学，NLNM-Li0.1正极表现出高倍率容量（10C时为86.9 mAh g^-1）、良好的循环稳定性（5C时循环200圈后容量为 74.7 mAh g^-1）以及实用的能量密度（全电池中为 225 Wh kg^-1）。本研究极大地能够强化层状氧化物正极的设计原则和构建，有助于实现高性能钠离子电池在储能方面的应用。

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本文要点

要点一：本文提出了一种用于钠离子电池的P2型NLNM正极的增效方案；

要点二：NLNM-Li0.1正极同时实现了电荷补偿调制和晶体生长优化协同策略；

要点三：NLNM-Li0.1正极表现出稳定的晶体结构、无晶体学相变和显著的体相裂纹；覆盖在活性颗粒上的富NaF的CEI层，不仅可以促进Na⁺在正极-电解质界面处的扩散动力学，而且还可以提供对电解质腐蚀的保护；

要点四：NLNM-Li0.1正极在10C时容量为86.9 mAh g^-1，在5C时循环200圈后容量为 74.7 mAh g^-1，表现出较高的倍率性能和长期Na⁺存储的容量稳定性。

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图文分析

图1 .所制样品的(a, d)XRD图和拉曼光谱，(b、c、e、f)NNM和NLNM - Li0.1样品的XRD Rietveld精修图谱、Ni 2p和Mn 2p的高分辨XPS图谱，(g-j) NLNM-Li0.1样品的SEM图、TEM图、SAED图和元素图。

图2. (a) NNM和NLNM正极在0.1 C下前三个循环的GCD曲线和(b)相应的dQ/dV ( Q :容量; V :电压)曲线，(c) NNM正极在给定电压下的XRD图谱和(d) NLNM - Li0.1正极在2.0 V到4.3 V充电过程中的原位XRD图谱，(e) NLNM - Li0.1正极的晶格参数演变和(f)与已报道的镍锰-基正极材料的体积变化比较。

图3. NNM和NLNM-Li0.1正极的(a, b) GITT曲线和DNa+，(c-e) 循环10圈后C1s、O1s和F1s的高分辨XPS谱图，(f , g)TEM图像、(h) EIS图和(i, j) 在0.1~1 m V s^-1的不同扫速下，NLNM-Li0.1正极的CV曲线和赝电容贡献。

图4. (a, b) NNM和NLNM-Li0.1正极从0.1 C到10 C不同倍率下的初始GCD曲线，(c, d) NLNM-Li0.1正极的倍率性能与NNM和已报道的正极进行了比较，(e , f) NNM和NLNM-Li0.1正极的循环性能(容量保持率和库仑效率)和(g, h) 在1 C下循环50次后的高倍率SEM图像，(i j)进一步比较了两种正极在5 C下200次循环期间给定循环下的容量和电压保持率与GCD曲线。

图5 .电荷补偿调节机制和晶体生长优化的图解协同强化策略用于稳定SIBs的NLNM正极，(a) 具有相变正极的NNM正极材料和无相变的NLNM正极的晶体结构和电荷补偿对比，(b) 多晶NNM正极和单晶NLNM正极的Na⁺扩散路径和结构稳定性的比较。

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文章链接

Lu Zheng, Panpan Jing*, Chaoyue Zhao, Zhaokun Guan, Nan Guo, Jiale Liu, Yunlong Shi, Chang Liu, Hong Wang, Mengting Liu*. Charge compensation modulation and crystal growth optimization synergistically boosting a P2-type layered cathode of sodium-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160147

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通讯作者简介

景盼盼，博士（后），副教授，陕西科技大学硕士研究生导师，国家自然科学基金委评议人，低维材料与光/电化学技术研究室负责人。主要从事电化学储能材料（锂离子电池、钠离子电池）和光催化材料的低维结构设计、制备、晶格缺陷与界面调控、机理等。在Energy & Environ. Sci.、Nano Energy、Small、Appl. Mater. Today、J. Hazard. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、Phy. Chem. Chem. Phy.等国际材料、能源、环境领域知名期刊发表SCI收录论文40余篇，授权国家发明专利1件。

Web of Science ResearcherID：LTE-6274-2024

Orcid：https://orcid.org/0000-0001-6016-5809

刘梦婷，博士（后），助理教授，西安交通大学硕士研究生导师。基于凝聚态物理、材料物理与化学、电化学的多学科知识体系，一直致力于新型储能器件和关键材料设计、制备和理论方面的研究。主持包括国家级项目、省部级项目、厅局级项目、校级项目和横向课题多项；在Adv. Mater., Energy & Environment. Sci., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Storage Mater., Nano-Micro Lett., Carbon Energy, Nano Energy, ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Appl. Energy Mater.等国际著名刊物上发表43篇SCI论文，他引超1200余次，H-index 21；申请发明专利26项；获得“第三届陕西省博士后创新创业大赛暨留学回国人员创新创业大赛铜奖”“陕西省创新创业优秀博士后”、“第九届‘创客中国’陕西省中小企业创新创业大赛暨陕西省二等奖”等荣誉。

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第一作者简介

郑璐，陕西科技大学材料科学与工程学院（文物保护学院）、低维材料与光/电化学技术研究室在读硕士，师从景盼盼副教授，并于2023年在西安交通大学电气学院进行联培，主要聚焦NiMn基层状氧化物的结构调控、储钠性能与机理研究。

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团队介绍

低维材料与光/电化学技术研究室依托陕西科技大学材料科学与工程学院（文物保护学院），成立于2023年12月12日，由物理、化学和材料等多学科背景的教师、研究生和本科生组成，致力于研发新材料、新制备技术和低维尺度结构等方案，结合光/电化学技术，为解决国家当前能源与环境问题提供有效策略。本研究室期待与社会各界广泛交流与合作！