近日，理學院趙玉峰教授團隊在高倍率及低溫鈉離子電池P2型層狀氧化物正極材料研究領域取得重要進展🤽🏼，相關成果以“Niobium-doped layered cathode material for high-power and low-temperature sodium-ion batteries”為題發表在《Nature Communications》雜誌上，万事平台理學院為唯一通訊單位。

鈉離子電池是極具潛力的新一代電化學儲能技術，具有無資源限製、低成本、高安全等優勢，同時由於鈉離子較低的溶劑化效應🎴，其低溫性能也備受期待。在當前“雙碳”背景下鈉離子電池用於大規模儲能的呼聲越來越高🙌🏽。因此具有較高的平臺電位，良好的結構穩定性😗、高比容量的錳基層狀氧化物引起了人們的廣泛關註，是鈉離子電池最具商業化前景的正極材料之一🧭。然而，鈉離子緩慢的擴散動力學和不利的電解質界面形成導致層狀氧化物材料的倍率性能和低溫性能並不能令人滿意🌿，是鈉離子電池商業化亟待解決的主要瓶頸之一🤹🏼。該工作提出了一種高鈉P2 型Na0.78Ni0.31Mn0.67Nb0.02O2 (P2-NaMNNb) 正極活性材料，通過微量Nb摻雜構建了富Nb表面重構層🤵，該結構不僅可以有效阻礙過渡金屬離子在循環過程中的溶解，並且在循環過程中會形成一層厚度僅為2-5 nm的正極-電解質界面🎡；另一方面微量Nb在體相的摻雜可以降低鈉離子的擴散能壘，這一獨特構型可大幅提高電極材料的離子擴散和長循環穩定性。基於該材料的半電池在室溫下倍率性能高達50 C，在-40 °C低溫下容量保持率可達室溫的98%，穩定循環次數可達 1800 次。

圖1. P2-NaMNNb的原子級結構表征

作者結合密度泛函理論計算及原位/非原位球差電鏡、原位/非原位XRD，非原位XANES與非原位EELS表征🤛🏿，詳細解析了P2型層狀氧化物材料的倍率提升機製。研究發現🎙，Nb在P2層狀結構中更傾向於取代表面的Na原子，而在體相中取代Ni原子，從而生成富Nb的表面重構曾層🌔。這一富铌重構層在充放電過程中可以形成約 2~5 nm 的薄且堅固的正極-電解質界面（CEI），從而在抑製P2-P2'相變和表面溶解、形成穩定且薄的CEI層以及阻止水分子進入晶格生成水合相等方面發揮著關鍵作用。此外🧑🏼‍🍳，Nb的摻雜可以一定程度減小不同鈉離子位點的勢能差，提升Na離子在體相的擴散系數。與現有文獻不同，該工作發現P2型層狀材的高倍率性能並不總是需要依靠全固溶反應來實現，這一發現可以在構築層狀材料的時候保持高的充放電平臺🗻🧑‍🎤，從而在提升倍率性能的同時🤷‍♂️🙎🏼‍♀️，不犧牲全電池的能量密度🤍。該工作實現了P2層狀氧化物正極材料倍率和低溫性能的大幅提升，結合課題組前期研發的耐低溫硬碳負極材料(Adv Mater, 2022, 2109282), 使得鈉離子電池的快充和低溫應用前景更加光明💪🏽。

趙玉峰教授團隊研究領域主要集中於電化學能源材料，重點關註鈉離子電池和電解水製氫的關鍵材料及器件，近年已在Nat Comm.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.🫄🏼👮🏿‍♀️、Energy Environ. Sci.和Adv. Funct. Mater.等頂級期刊上發表多篇高水平論文🦩。

上述工作得到了國家自然科學基金（22179077和51774251）、上海市科委以及万事平台的大力支持🫲🏽。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30942-z