山东理工大学/南开大学AM：晶体调控和氟化界面工程提升钠离子电池正极材料氧的氧化还原活性与长效稳定性

第一作者：孙意冉 翁俊迎

通讯作者：周朋飞*，周晋*，程方益*

单位：山东理工大学，南开大学

由于钠资源丰富且钠离子电池(SIBs)与锂离子(LIBs)电池具有相似的工作原理，SIBs可作为LIBs的替补品满足能源存储的需要。然而，正极的能量密度较低是限制钠离子电池应用的关键瓶颈之一。目前研究表明，通过激活氧的氧化还原提供额外容量是一种可行的策略，但会出现过度氧的氧化以及晶格氧的不可逆释放等问题。因此，如何实现可逆氧的氧化还原反应仍是一个极具挑战性的问题。

近日，来自山东理工大学周朋飞副教授/周晋教授、南开大学程方益教授团队合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Improving Oxygen-Redox-Active Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries Through Crystal Facet Modulation and Fluorinated Interfacial Engineering”的研究文章。该论文提出了一种晶面调控与氟化界面工程相结合的协同策略，以实现Na_0.67Li_0.24Mn_0.76O₂（NLMO{010}）正极材料的高容量、优异倍率性能和长循环寿命。为本文第一作者为山东理工大学研究生孙意冉、山东理工大学翁俊迎副教授。

采用熔融盐高温烧结法成功制备了具有高度暴露的{010}活性晶面的Na_0.67Li_0.24Mn_0.76O₂（NLMO-{010}）。系统分析了晶面调控与提高氧阴离子氧化还原（OAR）动力学性能和可逆性之间的内在关联。调控后的NLMO{010}在10mAg^-1下展现出272.4 mAh g⁻¹的高放电比容量以及713.9 Wh kg^-1的高能量密度。即使在1 A g^-1的大电流密度下，NLMO{010}放电比容量仍达到116.4 mAhg^-1。这凸显了NLMO{010}优越的传输动力学。此外，NLMO{010}电压衰减被明显抑制，拥有更好的循环稳定性，中值电压衰减从3.08 mV/周降至0.34 mV/周，50mAg^-1循环100次后的容量保持率从48.70%提升至68.24%。

尽管NLMO{010}可提供2542 W kg^-1的高功率密度，305 Wh Kg^-1能量密度（基于阴极材料的质量），优于NLMO。但NLMO{010}仍面临着由于晶格氧释放和随后由活性氧引发的电解质分解而导致的循环不稳定性的问题。因此，引入了N-氟苯磺酰亚铵（NFSB）作为多功能添加剂构筑氟化界面工程。电化学测试、表征以及理论计算结果表明NFSB有助于形成富NaF的界面膜，这有利于抑制结构降解。此外，NFBS作为路易斯酸，倾向于捕获高活性氧物种，抑制电解液的分解，从而提高氧的氧化还原可逆性，实现高容量、长寿命的SIBs。其中含有1.5wt% NFSB的NLMO{010}在50 mA g^-1下循环100次后保持528.5 Wh kg^-1的高能量密度。在500 mA g^-1的大电流密度下循环400后放电比容量仍可达到134.6 mAhg^-1，容量保留率为84.6%，相当于每个循环的平均容量损失为0.038%，库伦效率（CE）高于99%。为了证明含有1.5wt%NFSB的NLMO{010}的实际应用潜力，以硬碳（HC）作为负极组装了全电池。NLMO{010}//HC全电池表现在100 mA g^-1循环100次后容量保持率为98.12%，在500 mA g^-1循环300次后容量保持率为87.15%，展示了相当大的应用前景。

Improving Oxygen-Redox-Active Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries Through Crystal Facet Modulation and Fluorinated Interfacial Engineering”