安徽工业彭波/中国科大章根强/西安交大陈圣华Nano Research：体积互补的正负极两用层状氧化物实现稳定的对称钠离子电池

第一作者：彭波

通讯作者：彭波，陈圣华，章根强

单位：安徽工业大学，中国科学技术大学，西安交通大学

近年来，低成本的钠离子电池(SIBs)是锂离子电池的良好补充，在规模储能系统中具有很大的应用潜力。规模储能电池更重要的特性是高安全、低成本、长寿命。然而，由于缺乏合适的正负极材料，构建这种可实用的SIBs仍然特别困难。层状过渡金属氧化物(LTMOs)是研究最多的正极材料之一。然而，大多数层状氧化物都遭受着复杂相变，这些相变导致大体积变化，进一步诱导快速的容量衰减。在负极侧，具有高比容量的硬碳材料是一类有实际应用潜力的负极材料。

然而，几乎一半的比容量是由0-0.1 V vs. Na⁺/Na的低电压区域所贡献，这会因为钠枝晶的产生而导致安全问题。过渡金属硫族化合物和合金型化合物因其较高的理论容量而被广泛研究。然而，这些负极材料存在的大体积变化仍然限制着他们的实际应用。基于此，一些由典型金属构成的层状氧化物由于其合适的工作电位、小的体积变化和高安全性而被研究以用于负极材料。但是如何开发出高性能的无锂/钴层状氧化物负极仍然是个挑战。

近日，来自安徽工业大学的彭波资格教授联合中国科大的章根强教授以及西安交大的陈圣华研究员，在国际知名期刊Nano Research上发表题为“Volume-complementary bipolar layered oxide enables stable symmetric sodium-ion batteries”的研究文章。该文章设计了一种正负极两用的层状氧化物，该氧化物无论作为正极还是负极都表现出完全固溶反应以及小的体积应变。更重要的，组装的对称钠离子电池可表现出体积互补效应，整体实现近零体积变化，从而提升了稳定性。

首先，基于不同金属离子在层状氧化物电极材料中的功能性，如镍铁离子具有高的氧化还原电位，Ti离子具有相对较低的氧化还原电位，可分别作为正负极。基于此，本文通过溶胶凝胶法制备了P2型Na_0.7Ni_0.25Fe_0.2Ti_0.55O₂（记为P2-NFT）。

将P2-NFT作为正极，其在2.0-4.0 V电位区间可表现出85 mAh/g的比容量，循环300圈后容量保持率达到80.4%；将其作为负极，其在3.0-0.01 V电位区间可表现出124.3 mAh/g的比容量，循环200圈后容量保持率为79.9%。

通过原位XRD证实P2-NFT无论作为正极还是负极，在充放电过程中都表现出完全固溶反应，体积变化小。此外，通过仔细分析可以发现，正负极在充放电过程中体积变化是相反的，因而组装成全电池可表现出体积互补效应。

作者以P2-NFT分别作为正极和负极，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2.76 V的输出电压。在0.5C的电流密度下循环500圈容量保持率高达91.7%。

本文设计了一种体积互补的正负极两用层状氧化物，可实现高稳定和高安全对称钠离子电池，为室温钠离子电池的开发提供了新的见解。

Volume-complementary bipolar layered oxide enables stable symmetric sodium-ion batteries

彭波，安徽工业大学材料科学与工程学院资格教授，硕士生导师。2017年本科毕业于江苏大学，2022年在中国科学技术大学获得工学博士学位。2022.06月入职安徽工业大学，目前主要从事钠/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论文三十余篇，其中以(共同)第一/通讯作者在Adv. Mater., Matter, Adv. Energy Mater., Nano Research, Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Mater. Lett., eScience等高水平刊物上发表论文十余篇。

陈圣华，西安交通大学特聘研究员、博士生导师，西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”。2020年博士毕业于华中科技大学，师从郭兴蓬教授和夏宝玉教授（国家杰青）；2020至2022年在清华大学李亚栋院士和王定胜副教授课题组从事博士后研究。研究重点为：纳米催化剂的可控合成及其在电催化化学品增值催化转化领域的应用，着重涉及电催化二氧化碳还原、电解水等催化剂的精准设计与器件化应用。迄今为止在JACS、Angew、AM、PNAS、EES等期刊上共发表SCI论文近30篇，其中第一或通讯作者15篇，包括JACS、Angew、AM、EES、Nano Lett.、ACS Catal.、J. Catal.等。

章根强，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，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。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., Nano Research, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letters, Energy Storage Mater.等高水平杂志。被引用次数超过12000次，H因子=56。担任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。