AEM综述：钠离子电池层状氧化物正极的改性策略研究进展

第一作者：彭波，万广林

通讯作者：章根强*

单位：中国科学技术大学，安徽工业大学

低成本钠离子电池被认为是锂离子电池的良好补充已经受到广泛关注。然而，其实用化进程一直受限于能量密度和循环寿命。层状过渡金属氧化物（Layered transition metal oxides, LTMOs）正极材料具有紧凑的晶体结构、低成本、易于合成等优点，是一类有前景的正极材料。不幸的是，LTMOs面临的关键挑战，如严重的相结构转变、缓慢的扩散动力学、以及界面退化，对实现高性能阴极构成了重大挑战。本文回顾和总结了近期关于LTMOs的常用改性手段，有助于更好的改进LTMOs。

近日，来自中国科学技术大学的章根强教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Recent Progress in the Emerging Modification Strategies for Layered Oxide Cathodes toward Practicable Sodium Ion Batteries”的综述文章。该综述文章总结了当前关于层状氧化物正极材料的常用改性手段，凝练了相关构效关系，同时指出了未来可能的发展方向。

图1. LTMOs的结构分类。

图2. LTMOs存在的关键问题以及改性策略。

在Na⁺脱出和嵌入过程中，P2和O3相结构都会发生较为复杂的相变，导致电化学性能下降。此外，Na⁺-Na⁺和Na⁺-TMn⁺之间的静电相互作用会诱导电荷和Na⁺/空位有序化，使得 Na⁺扩散能垒升高，导致性能不佳。而阳离子掺杂被认为是一种有效的方法来抑制其复杂相变和消除有序结构，以改善其电化学性能，如循环稳定性和倍率能力。本文详细总结了不同掺杂离子、不同掺杂位点对提升LTMOs电化学性能的功能性，同时指出了未来可能通过离子掺杂改性的发展方向。

要点二：形貌调控改性策略

由于Na⁺的半径要大于Li⁺，这导致其从LTMOs的晶格中嵌入和脱出的阻力相对更大，扩散动力学相对较为缓慢，从而可能降低LTMOs的比容量和倍率性能。此外，O3型材料中，钠离子的扩散遵循“八面体-四面体-八面体”的扩散路径，导致固有的低扩散动力学。而对于P2型材料，其存在典型的有序结构，降低了钠离子扩散动力学。近期，通过形貌调控策略可以提升钠离子扩散动力学、降低副反应以及提供稳定的结构。本文详细总结了几何形貌设计以及暴露晶面两种形貌调控策略，并提出了当前存在的关键问题。

要点三：界面工程改性策略

LTMOs正极的界面稳定性同样影响电池的电化学性能。不幸的是，LTMOs仍然存在各种界面问题，如正极材料与电解质之间严重的副反应，这增加了电荷转移阻抗以及过渡金属离子的溶解。此外，LTMOs正极还存在正极材料和电解质界面处离子电导率和电子电导率低的问题，这导致电化学性能不理想。界面工程是一种有效的改性策略，其可以稳定表面结构，抑制副反应，防止过渡金属离子溶解。本文详细总结了LTMOs的界面工程改性方法。

要点四：综合改性策略

这些改性策略，例如离子掺杂、形貌调控以及界面工程，可以有效地提高LTMOs的电化学性能。但是通常来说，仅通过单一的改性方法很难实现合适的电化学性能。因此，研究者尝试集成多种改性策略于一体，以期更好的提升电化学性能。本文系统地总结了当前发展的一些综合改性策略，并指出了未来的研究方向。

彭波博士，现为安徽工业大学材料科学与工程学院资格教授，2022年于中国科学技术大学获得博士学位。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论文三十余篇，其中以第一/共一/通讯作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Matter, Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., eScience等高水平刊物上发表论文13篇。

Recent Progress in the Emerging Modification Strategies for Layered Oxide Cathodes toward Practicable Sodium Ion Batteries

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