西工大谢科予教授/金婷教授/沈超副研究员，ACS Energy Letters：残碱原位转化为钠补偿剂助力高性能钠离子电池

第一作者：张涛，孔继

通讯作者：谢科予*，金婷*，沈超*

单位：西北工业大学，南开大学，香港理工大学

钠离子电池具有显著的成本和资源优势，在大规模储能领域极具应用前景。然而，钠离子电池存在严重的电极不可逆嵌钠（尤其是在硬碳（HC）负极表面）、固态电解质界面溶解等问题，导致电池循环过程中活性Na⁺损耗严重，极大地制约了钠离子电池能量密度和循环稳定性。目前，将钠补偿剂导入正极被认为是提高钠离子电池能量密度和循环寿命的关键策略。然而，现有的钠补偿剂通常存在补钠效率低、残余严重、持续产气等问题，限制了其在钠离子电池中的应用。因此，开发高效的钠补偿策略至关重要。

近日，西北工业大学谢科予教授/金婷教授/沈超副研究员团队在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Converting Residual Alkali into Sodium Compensation Additive for High-Energy Na-Ion Batteries”的文章。作者巧妙地在钠离子电池层状正极材料P2-Na_0.85Li_0.12Ni_0.22Mn_0.66O₂（P2-NLNMO）中引入适量乙酸（AC）和材料表面残碱物质原位反应生成乙酸钠（AC-Na）。残碱的转化显著提高了电极加工性能；同时，AC-Na作为钠补偿剂具有约300 mAh g^-1的高比容量以及合适的氧化电位（~ 4.1 V），容量利用率高达~92%。作者通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）、原位微分电化学质谱（DEMS）等分析表征方法揭示了其类似于Kolbe电解反应的钠补偿机制。在钠补偿的基础上，作者在2.0 Ah P2-NLNMO@AC|| HC软包电池中验证了该策略的实用性，在120次循环后电池的容量保持率高达95.1%，能量密度从112提高到130 Wh kg^-1。高效钠补偿策略为钠离子电池的实际应用提供了一条新的途径。

作者通过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）表征了残碱转化前后材料的晶体结构特征，结果表明适量乙酸（AC）处理不会破坏原始材料的体相结构。通过X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析了材料的表面化学性质，证明了乙酸（AC）的功能是能够将初始P2-NLNMO材料中的残碱转化为乙酸钠（AC-Na）。

通过对电极浆料振荡剪切流变学的研究，验证了残碱转化后材料较低的粘度以及更好的分散性。扫描电子显微镜（SEM）揭示了改性后电极中活性材料颗粒与导电碳之间更加均匀的分布，同时P2-NLNMO@AC电极比P2-NLNMO电极更薄更致密。

通过测试P2-NLNMO和P2-NLNMO@AC材料在钠半电池和全电池中的电化学性能，验证了补钠后电池电化学性能的提升。2.0 Ah P2-NLNMO@AC||HC软包电池在0.3 C下循环120次后，容量保持率达到95.1%，能量密度从112 Wh kg^-1提高到130 Wh kg^-1（基于电芯质量计算）。电池产气照片显示出P2-NLNMO@AC||HC软包电池循环过程中更少的产气，表明P2-NLNMO中残碱被有效地转化为补钠剂乙酸钠（AC-Na），抑制了残碱在电池循环过程中的持续分解产气。

非原位拉曼光谱证实了P2-NLNMO@AC中乙酸钠（AC-Na）在首圈充放电过程中分解并提供额外的Na⁺进行钠补偿。原位微分电化学质谱（DEMS）监测了P2-NLNMO和P2-NLNMO@AC在充放电过程中的产气情况，AC-Na在首圈充电过程中几乎被完全分解，产生CO₂和C₂H₆（首圈产气可在电池化成结束后排出，不会影响后续循环），揭示了AC-Na类似于Kolbe电解反应的钠补偿机制。

Converting Residual Alkali into Sodium Compensation Additive for High-Energy Na-Ion Batteries

谢科予：西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级青年人才，英国皇家化学会会士，清洁能源研究院负责人。现任陕西省锂电池正极材料校企联合研究中心副主任、陕西省石墨烯联合实验室副主任，Energy Materials副主编。长期从事高性能化学电源及其关键材料；先后主持国家重点研发计划国合专项、国家自然科学基金联合重点等项目；发表Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等期刊论文100余篇。

金婷：西北工业大学材料学院教授，博士生导师。入选“陕西省高层次人才引进计划”青年项目、香江学者。2020年博士毕业于南开大学，师从焦丽芳教授；2018-2020年在美国马里兰大学（帕克分校）进行联合培养博士研究，师从王春生教授。之后在香港理工大学黄海涛教授课题组从事博士后研究。从事锂/钠离子电池关键材料与器件相关研究，先后主持国家自然科学基金青年项目等科研项目，发表 Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊论文40余篇，担任eScience、Battery Energy等期刊青年编委。

沈超：西北工业大学材料学院副研究员，博士生导师。陕西省“四主体一联合”锂电池正极材料校企联合研究中心副主任，获陕西省秦创原长续航新能源车用锂电池高镍正极材料“科学家+工程师”团队项目资助，从事锂/钠离子电池及其关键材料工业化开发及产业化应用技术研究。承担多项纵向基础研究与企业委托横向开发项目。

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