Nature子刊：乙二醇實(shí)現(xiàn)O3型層狀氧化物鈉電正極高效低損脫堿！

O3相層狀氧化物因具有穩(wěn)定的拓?fù)渚Ц窆羌芎涂烧{(diào)控潛力，成為高端電池主流正極活性材料之一。然而，其對(duì)環(huán)境敏感所導(dǎo)致的表面殘堿問題，阻礙了該類材料的大規(guī)模應(yīng)用。水洗作為鋰基正極材料工業(yè)化去除表面殘堿的常用方法，在鈉基材料中卻會(huì)引發(fā)晶格坍塌、活性堿金屬離子大量溶出等嚴(yán)重問題。

2026年3月19日，西北工業(yè)大學(xué)沈超、謝科予在國(guó)際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Deciphering the liquid-solid interactions in dealkalization of O3 layered oxides》的研究論文，張伍玖為論文第一作者，沈超、謝科予為論文共同通訊作者。

本文提出主體固相正極材料與客體液相溶劑間的相互作用機(jī)制，闡明了脫堿過程中，材料的結(jié)構(gòu)劣化依賴于分散溶劑的分子構(gòu)型以及堿金屬–氧鍵共價(jià)性。對(duì)于水（H3O+），分子自蔓延嵌入鈉層并隨后發(fā)生質(zhì)子化，會(huì)誘導(dǎo)鈉離子流失，進(jìn)而導(dǎo)致晶格失穩(wěn)。與之相對(duì)，高效脫堿劑乙二醇則因尺寸效應(yīng)的限制，能夠避免材料發(fā)生進(jìn)一步結(jié)構(gòu)劣化。基于正極材料隨時(shí)間擴(kuò)展的劣化規(guī)律，本研究建立了適用于液相穩(wěn)定性評(píng)估的分析框架。該工作為O3相層狀氧化物的液相改性工程提供了基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

在高性能二次電池技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，清潔能源轉(zhuǎn)型取得了顯著進(jìn)展。層狀氧化物因具有開放的二維擴(kuò)散通道，已成為高功率、高比能二次電池的重要正極活性材料（PEAM）。O3相過渡金屬氧化物（TMO）已成為先進(jìn)鋰離子電池中具有商業(yè)化前景的正極材料。相較于鋰資源儲(chǔ)量有限且地理分布不均，鈉基電池的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)了不受地域差異限制的清潔能源技術(shù)進(jìn)步。

然而，O3相材料的規(guī)模化應(yīng)用受限于苛刻的堿性合成條件與不穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的表面殘堿（SRA）及其引發(fā)的全生命周期問題，已成為其大規(guī)模應(yīng)用的桎梏。與鋰基過渡金屬氧化物（LiTMO2）相比，鈉基過渡金屬氧化物（NaxTMO2）因堿金屬層間距更大（Na+離子半徑1.02?，Li+為0.76?），在環(huán)境空氣中更易發(fā)生反應(yīng)，表現(xiàn)出更高的表面殘堿含量。特別是O3型NaTMO2極易出現(xiàn)表面殘堿升高、活性鈉流失與結(jié)構(gòu)劣化現(xiàn)象。這種敏感性從多方面制約了其成熟應(yīng)用：（1）粉體表面污染；（2）電極漿料凝膠化；（3）電化學(xué)性能衰減；（4）高壓下電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)氣。

目前通常采用被動(dòng)防控策略（調(diào)控化學(xué)性質(zhì)、惰性包覆層）與主動(dòng)去除策略（脫堿處理）解決表面殘堿問題。液相洗滌脫堿并配合二次燒結(jié)，已成為鋰基高鎳正極材料廣泛應(yīng)用的工業(yè)化方案。高效但具有潛在破壞性的水性脫堿溶劑包括水或硼酸、硝酸、鹽酸、NH4H2PO4、LiH2PO4等弱酸性溶液；有機(jī)溶劑主要包括甲醇、乙醇、N-甲基吡咯烷酮等。遺憾的是，O3-NaTMO2對(duì)水性介質(zhì)敏感，在脫堿過程中面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。研究者發(fā)現(xiàn)，NaTMO2在水/濕氣處理下會(huì)發(fā)生顯著的活性鈉溶出與層狀結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為比容量驟降。這一現(xiàn)象常被歸因于Na+/H+交換（與LiTMO2類似），但未能解釋隨時(shí)間加劇的深度結(jié)構(gòu)劣化。液相脫堿過程中涉及的液-固接觸科學(xué)問題，阻礙了O3-NaTMO2材料的進(jìn)一步規(guī)模化應(yīng)用。

本工作以O(shè)3-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（簡(jiǎn)稱NFM，一種已在海鈉電池、NATRIUM等實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的典型O3-NaTMO2）脫堿過程中的液-固耦合相互作用為研究對(duì)象，通過系統(tǒng)表征對(duì)比研究了水與乙二醇兩種典型溶劑的脫堿效果。從加工性能、電化學(xué)性能與安全性角度驗(yàn)證了乙二醇脫堿的有效性，并通過正向/逆向結(jié)構(gòu)表征揭示了材料的關(guān)聯(lián)性失效行為。進(jìn)一步提出由溶劑分子嵌層驅(qū)動(dòng)的液-固相互作用機(jī)制，闡明了耦合作用過程。基于所建立的分析框架，將變量回歸至主體O3層狀氧化物，將研究范圍拓展至更多鈉基過渡金屬氧化物與鋰基高鎳氧化物，以水為參比溶劑驗(yàn)證了該機(jī)制的普適性。本文定義“堿金屬流失量”以量化結(jié)構(gòu)損傷程度，從而評(píng)估正極材料對(duì)液相環(huán)境的穩(wěn)定性耐受區(qū)間。該工作為脫堿工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新提供了支撐，有助于高敏感性氧化物正極材料的規(guī)模化應(yīng)用，進(jìn)一步提升廉價(jià)且分布廣泛的鈉基儲(chǔ)能技術(shù)在未來清潔能源存儲(chǔ)中的應(yīng)用潛力。

本研究以O(shè)3型層狀氧化物正極材料為研究對(duì)象，針對(duì)其表面殘堿難以高效脫除且水洗易引發(fā)晶格崩塌、活性鈉離子大量溶出等規(guī)模化應(yīng)用難題，系統(tǒng)揭示了脫堿過程中固相主體材料與液相溶劑的相互作用機(jī)制，闡明了結(jié)構(gòu)劣化與溶劑分子構(gòu)型、堿金屬-氧鍵共價(jià)性的依賴關(guān)系，明確水分子可自發(fā)嵌入鈉層并引發(fā)質(zhì)子化與鈉離子連續(xù)泄漏，而乙二醇因尺寸效應(yīng)能阻止分子嵌入與結(jié)構(gòu)深度破壞，實(shí)現(xiàn)高效且低損傷脫堿。

研究通過多維度表征與逆向結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證了乙二醇脫堿后材料在漿料加工性、電化學(xué)容量、循環(huán)穩(wěn)定性及電池產(chǎn)氣安全性上的顯著提升，結(jié)合第一性原理計(jì)算從熱力學(xué)與電子結(jié)構(gòu)層面闡釋了溶劑分子嵌入、質(zhì)子化、堿金屬溶出的耦合關(guān)聯(lián)，并將該作用機(jī)制與分析框架拓展至多種鈉基及富鋰鎳基O3型層狀氧化物，定義“堿金屬損失”作為量化結(jié)構(gòu)損傷與液相穩(wěn)定性耐受度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，完善了敏感正極材料液相處理的穩(wěn)定性評(píng)估體系。

該成果突破了傳統(tǒng)水洗工藝不適用于高敏感鈉基層狀氧化物的技術(shù)瓶頸，為O3相層狀氧化物的液相脫堿工藝優(yōu)化與革新提供了基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，同時(shí)建立的固液相互作用分析框架可廣泛適用于電極材料制備、水系極片加工、長(zhǎng)期儲(chǔ)存、循環(huán)再生等多場(chǎng)景的質(zhì)傳遞過程研究，對(duì)推動(dòng)高敏感性氧化物正極材料的規(guī)模化應(yīng)用、夯實(shí)鈉基儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)、拓展低成本廣域分布的鈉基儲(chǔ)能在清潔能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力具有重要科學(xué)價(jià)值與工程意義，也為電極材料-溶劑體系的理性設(shè)計(jì)、工藝路線定制化開發(fā)提供了通用思路與評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，有望帶動(dòng)相關(guān)正極材料后處理技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，加速鈉電在大規(guī)模儲(chǔ)能等場(chǎng)景的商業(yè)化落地。

Deciphering the liquid-solid interactions in dealkalization of O3 layered oxides. Nat. Commun., (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70581-2.

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