罗绍华教授， CEJ：打破空气稳定“限钠”和动力学“促钠”的Fe/Mn基阴极Mn空位工程设计

第一作者：黄锐

通讯作者：罗绍华*

单位：东北大学，东北大学秦皇岛分校，河北省介电与电解质功能材料重点实验室

近年来，可充电锂离子电池在能量存储技术中具有特殊的优势，使其在应用中至关重要。虽然锂离子电池已经全面覆盖了人类的生产生活，但锂资源的供应危机已经引起了科学界和工业界的广泛关注。由于钠离子电池与锂离子电池在结构上的相似性，在成熟锂离子电池技术的启发和经验积累下，钠离子电池得到了快速发展。Fe/Mn基阴极由于其经济性和较高的理论容量被认为是最佳可行选择之一。然而，其实际综合性能欠佳仍阻碍着其商业应用。更糟糕的是，由于空气稳定机制提出的Na⁺遏制与动力学策略提出的Na+扩散增强之间的矛盾，这两种缺陷的改善很难同时实现。本文通过对P2-Na_2/3Fe_1/2Mn_1/2O₂（NFM）阴极进行系统的Mn空位工程研究，获得了优异的倍率、循环性能、空气稳定性，更重要的是揭示了其机理。该研究揭示了Mn空位工程的关键作用，为探索综合性能优越的正极材料提供了指导。

Table . XRD refinement data of NFM-Q and NFM-S.

有人提出Na_0.67MnO₂在冷却过程中能够吸收氧气，导致Mn离子氧化价态增加，形成锰缺陷相。研究表明，过渡金属层在冷却过程中容易形成Mn空位，从而调节Mn离子的价态。然而，Mn空位作为Mn原子缺失形成的负电荷中心，可以锚定相邻的钠离子，阻碍钠离子的有效迁移。因此，考虑到Mn空位对阴极材料影响的模糊性和争议性，重新审视Mn空位工程对高容量长周期阴极材料的研究具有重要的科学意义和现实意义。本文通过EPR表征强有力证明了Mn空位的精细调控通过控制冷却速度实现。并且由GITT和EIS结果表明少量Mn空位（NFM-Q阴极）表现更高Na⁺扩散系数（1.65×10^-10 cm² s^-1）。这一结果进一步表明，少量的Mn空位虽然具有收缩钠层的作用，但仍有利于钠离子的迁移。扩散系数的量化有力地支持了“促钠”效应的存在。

罗绍华教授简介：东北大学材料科学与工程学院三级教授，博士生导师，东北大学秦皇岛分校资源与材料学院院长。教育部宝钢优秀教师奖获得者，河北省教学名师，河北省三三三人才工程二层次人选，河北省电介质与电解质功能材料重点实验室主任。1995年本科毕业于兰州大学材料科学专业，2007于清华大学材料科学与工程学院获得博士学位。主要从事面向能源存储的功能材料，冶金固废高值材料化利用，医用生物材料。主持国家自然科学基金面上项目、河北省重点研发项目、河北省科技支撑计划项目、教育部中央高校基本业务费重大研究项目等10余项。在材料领域知名期刊发表SCI论文100余篇，H因子44, 包括Energy Storage Mater., Coord. Chem. Rev., Chem. Eng. J., J. Energy Chem. 等; 已授权发明专利36项，其中5项发明专利成功转让；作为第一完成人获教育部科技进步二等奖、中国有色金属工业科学技术奖（发明）一等奖等12项奖。担任科技部国家重点研发计划重点专项评审专家、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、中国材料研究学会高级学员、中国化学学会高级会员、Inorganics期刊客座编辑。

宁静致远，自强不息。脚踏实地，追求卓越。欢迎有材料科学与工程、冶金工程、物理、化学背景的同学报考课题组博士研究生、硕士研究生。