《Nature Energy》：鈉離子電池超快充放電！層狀氧化物正極中的可逆溶劑嵌入

香港城市大學(xué)劉奇、曾曉成、任洋團(tuán)隊(duì)合作在鈉離子電池正極反應(yīng)機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，在特定電解液體系中，電解液溶劑分子可以進(jìn)入層狀氧化物正極的層間，并在充放電過(guò)程中發(fā)生可逆嵌入與脫出，從而加速電極反應(yīng)。相關(guān)成果以Solvent intercalation in layered cathodes for ultrafast sodium-ion batteries為題發(fā)表于《Nature Energy》。第一作者：王星宇、范淇、王蔚、梁雄毅。通訊作者：劉奇、曾曉成、任洋。通訊單位：香港城市大學(xué)。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-026-01995-x

層狀過(guò)渡金屬氧化物是鈉離子電池的重要正極材料之一，其儲(chǔ)能過(guò)程通常依賴于Na+在層間的嵌入與脫嵌。然而，在高倍率充放電條件下，Na+在固相中的遷移往往伴隨正極材料的晶格畸變、層間滑移等結(jié)構(gòu)變化，從而限制離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。因此，在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)提升離子遷移速率，是層狀正極材料實(shí)現(xiàn)快速充電的重要研究問(wèn)題。

在本研究中，研究人員以P’2型Na0.67MnO2為模型正極，對(duì)比研究了不同電解液體系中的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用二乙二醇二甲醚基電解液（1.0 M NaPF6 in diglyme）時(shí)，在高電壓區(qū)間會(huì)出現(xiàn)新的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，表明溶劑分子可能參與插層反應(yīng)。電化學(xué)測(cè)試表明，該體系在高倍率條件下仍保持較好的容量輸出。例如，在10 A g-1（約67C，其中1C = 150 mA g-1）的電流密度下，正極在小于30秒的充電時(shí)間內(nèi)仍可提供約77.4 mAh g-1的可逆容量；在2 A g-1條件下循環(huán)500次后容量保持率仍超過(guò)70%。

圖1 層狀正極中溶劑嵌入反應(yīng)示意與電化學(xué)性能

為了進(jìn)一步確認(rèn)這一反應(yīng)過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)開展了原位結(jié)構(gòu)表征。原位X射線衍射結(jié)果顯示，在充電過(guò)程中材料會(huì)形成具有特征衍射峰的中間結(jié)構(gòu)，并在隨后的放電過(guò)程中可逆消失。結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算模擬表明，這一結(jié)構(gòu)變化與溶劑分子進(jìn)入層間空間有關(guān)，從而形成一種可逆的溶劑插層相。

圖2 原位X射線衍射揭示溶劑插層相的結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步理解高倍率條件下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)利用同步輻射開展了原位超快X射線吸收譜實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用的超快X射線吸收譜技術(shù)結(jié)合特制模具，可在約1秒時(shí)間尺度內(nèi)獲得完整吸收譜，從而實(shí)時(shí)追蹤充放電過(guò)程中過(guò)渡金屬價(jià)態(tài)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在約100C的高倍率條件下，Mn K-edge仍表現(xiàn)出清晰且可逆的變化，說(shuō)明電池容量主要來(lái)源于體相Mn的法拉第氧化還原反應(yīng)。

圖3 超快原位X射線吸收譜揭示快速氧化還原動(dòng)力學(xué)

此外，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合第一性原理計(jì)算計(jì)算，對(duì)溶劑分子嵌入層狀結(jié)構(gòu)后的離子遷移行為進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明，溶劑分子進(jìn)入層間空間后能夠調(diào)節(jié)層間結(jié)構(gòu)環(huán)境，并降低Na+遷移的能量，從而有利于提升離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。這一理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果相一致，為理解溶劑參與插層反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。

圖4 理論計(jì)算揭示溶劑嵌入對(duì)離子遷移動(dòng)力學(xué)的影響

該研究表明，在層狀氧化物正極中，電解液溶劑在特定條件下可以參與可逆電化學(xué)嵌入/脫出過(guò)程，這為理解高倍率條件下的電極反應(yīng)機(jī)制提供了新的視角，也為通過(guò)電極材料與電解液協(xié)同設(shè)計(jì)提升鈉離子電池快充性能提供了新的研究思路。

該論文第一作者為香港城市大學(xué)王星宇博士，范淇科研助理，王蔚博士和梁雄毅博士。論文通訊作者為香港城市大學(xué)劉奇教授、曾曉成教授和任洋教授。該研究由香港城市大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成。本研究得到了深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目、香港研究資助局等項(xiàng)目的支持。

劉奇教授是速方新能源創(chuàng)始人和香港城市大學(xué)終身教授，曾在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事科研工作，并參與過(guò)華為消費(fèi)電池正極材料研發(fā)項(xiàng)目，在鋰離子電池領(lǐng)域擁有逾十年的深厚研究積累。在技術(shù)層面，速方新能源已成功突破富鋰錳基正極材料長(zhǎng)期存在的電壓衰減瓶頸，實(shí)現(xiàn)了材料性能的重要提升。目前，速方新能源百噸級(jí)生產(chǎn)線已正式投產(chǎn)，所研制的高壓純用富鋰錳基正極材料樣品已陸續(xù)送抵多家頭部電池企業(yè)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。與此同時(shí)，速方新能源還同步開發(fā)了富鋰錳基正極補(bǔ)鋰劑產(chǎn)品，計(jì)劃率先在中低壓混合摻用場(chǎng)景中推動(dòng)商業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)一步拓展其材料體系的市場(chǎng)覆蓋。

曾曉成教授長(zhǎng)期致力于物理化學(xué)領(lǐng)域分子及表界面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論研究。他在表界面水科學(xué)、極端條件物理化學(xué)及團(tuán)簇科學(xué)等領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。曾曉成教授已發(fā)表SCI論文750余篇，其中包括Nature、Science共計(jì)7篇（含純理論2篇），以（共同）通訊作者在綜合及學(xué)科頂級(jí)期刊發(fā)表Nature及Science子刊共25篇、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. / J. Am. Chem. Soc ./ Angew .Chem. Int. Ed. 共102篇。曾曉成教授是歐洲科學(xué)院化學(xué)部外籍院士，美國(guó)物理學(xué)會(huì)/材料研究學(xué)會(huì)/科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)士、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。曾曉成教授還榮獲美國(guó)古根海姆 (Guggenheim)獎(jiǎng)，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)表界面獎(jiǎng)（所有獲獎(jiǎng)?wù)咧形ㄒ环菤W洲學(xué)者), 美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)中西部獎(jiǎng)（1944年頒發(fā)以來(lái)首位華人獲獎(jiǎng)?wù)撸┑葒?guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)和榮譽(yù)。曾曉成教授現(xiàn)任香港城市大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系系主任。在2025年US NEWS學(xué)科排名中，香港城市大學(xué)材料科學(xué)（Materials Science）學(xué)科排名世界 No.5。(https://www.usnews.com/education/best-global-universities/materials-science）

香港城市大學(xué)（城大）物理學(xué)系系主任、講座教授任洋教授榮膺本年度美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士。美國(guó)物理學(xué)會(huì)贊揚(yáng)任教授為研發(fā)高能同步輻射X射線儀器的先軀，促進(jìn)其在材料物理領(lǐng)域的變革性應(yīng)用，為材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供前所未有的洞見(jiàn)。任教授同時(shí)為城大材料科學(xué)及工程學(xué)系講座教授，并領(lǐng)導(dǎo)賽馬會(huì)「能源與材料物理」創(chuàng)科實(shí)驗(yàn)室，利用尖端科學(xué)設(shè)備專門研究綠色能源和技術(shù)創(chuàng)新相關(guān)材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用。加入城大前，他曾擔(dān)任美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)物理學(xué)家，及先進(jìn)光源中心的首席光束線科學(xué)家。任教授的研究專長(zhǎng)為同步輻射X射線實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)與應(yīng)用，及能源與材料物理。任教授于2020至2025年獲史丹福大學(xué)列為「全球排名首2%科學(xué)家」（終身及年度科學(xué)影響力排行榜），并于2022及2023年被科睿唯安引選為「最廣獲征引研究人員」。他曾獲中華人民共和國(guó)香港特別行政區(qū)政府頒發(fā)「全球創(chuàng)科學(xué)人」名銜，以及美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)良服務(wù)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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