章根强教授，EnSM：调控层状O3-NaNi0.5Mn0.5O2的局域环境实现可实用的钠离子电池正极

第一作者：彭波，陈延旭

通讯作者：章根强*

单位：中国科学技术大学，安徽工业大学，河北工业大学，贵州师范大学，聊城大学

近年来，具有价格优势的钠离子电池获得了极大的关注并在规模储能领域被寄予厚望。然而，受制于正极材料的发展，钠离子电池的能量密度仍然较低。O3型NaNi_0.5Mn_0.5O₂ 正极具有高钠含量和高理论比容量是钠离子电池正极的理想候选物。然而，该正极在电化学脱嵌钠过程中所发生的复杂相变（O3_hex.−O3_mon.−P3_hex.−P3_mon.−P3_hex.−O3_hex.）导致了其较差的循环性能和倍率性能，限制了其实际应用。

基于此，来自中国科学技术大学的章根强教授团队，在国际知名能源期刊Energy Storage Materials上发表题为“Regulating the Local Chemical Environment in Layered O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂ Achieves Practicable Cathode for Sodium-ion Batteries”的观点文章。该文章报道了一种Al³⁺掺杂改性的O3 - NaNi_0.45Al_0.1Mn_0.45O₂层状正极，显著提升了其循环稳定性和倍率性能。通过理论预测结合实验表征的方式，研究了Al³⁺掺杂剂的功能性。

图1. Al³⁺掺杂对O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂正极局域结构的调控及对电化学行为的影响。

首先，通过DFT理论计算预测了Al³⁺掺杂对O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂正极局域结构的影响。研究表明，由于较强的Al-O键能，Al³⁺掺杂在过渡金属位点（3a）可以强化过渡金属层的稳定性同时提高钠层厚度，有利于结构稳定和钠离子输运。

图2. 理论预测Al³⁺掺杂对O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂正极局域结构的影响。

要点二：电化学性能研究

研究表明，Al³⁺掺杂可显著改善其循环性能和倍率性能。具体而言，在0.5C电流密度下循环200圈后，容量保持率从40.9%提升至86.2%。此外，倍率性能也得到大幅改善，在5C高电流密度下，其容量保持率也从16.9%提升至43.1%。

图3. 电化学性能研究。

要点三：机理研究

作者通过DFT计算预测了Al³⁺掺杂对电化学脱钠过程中结构演变的影响。研究表明Al³⁺掺杂可显著抑制相变。进一步通过原位XRD实验证实了Al³⁺掺杂可抑制其固有的复杂相变并转变为O3-P3两相反应。

作者进一步通过分子动力学模拟，研究了Al³⁺掺杂对其钠离子扩散动力学的影响。研究表明Al³⁺掺杂可降低钠离子的扩散能垒，从而提高钠离子扩散速率，这可以归因于扩大的钠层间距。

图4. 理论实验表征Al³⁺掺杂对O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂正极脱嵌钠过程中晶体结构演变的影响。

图5. 分子动力学模拟研究Al³⁺掺杂对O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂钠离子扩散动力学的影响。

要点四：实用化前景

作者以商业化的硬碳作为负极，组装了钠离子全电池以研究其实用化前景。该全电池器件可表现出213.5 Wh kg^-1的能量密度以及2081.4 W kg^-1的功率密度。此外，还表现出不错的循环性能，在0.5C下循环200圈容量保持率可达66.5%，表明其具有一定的实用化前景。

图6. 钠离子全电池器件的性能评估。

要点五：前瞻

本文通过理论预测结合实验表征深入研究了Al³⁺掺杂剂的功能性，为层状氧化物的改性研究提供了一些见解，同时推动了O3型镍锰基层状正极的实际应用。

Regulating the Local Chemical Environment in Layered O3 - NaNi_0.5Mn_0.5O₂ Achieves Practicable Cathode for Sodium-ion Batteries

章根强教授简介，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究、高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。

已发表超过100篇SCI科学论文，如Sci. Adv., Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letter, Energy Storage Mater.等高水平杂志。被引用次数超过10000次，H因子=49。担任Wiley出版社InforMat期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士（IAAM Fellow）以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。

彭波博士，2022年于中国科学技术大学获得博士学位，现为安徽工业大学材料科学与工程学院资格教授。研究方向为钠/锂离子电池关键电极材料的设计合成、机理研究。已在相关领域发表SCI论文二十余篇，其中以第一作者在Adv. Mater., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater.等高水平刊物上发表论文10篇。

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