近日，燃料电池研究所章俊良教授团队祖丽皮亚·沙地克副教授提出“基于阳离子势调控钠离子电池P2型层状氧化物正极相转变规律”，研究成果“Phase Transition Regulation Mechanisms in P2-Type Oxide Cathodes”发表在Advanced Materials上。博士生蔡鑫胤为论文第一作者，祖丽皮亚·沙地克副教授为通讯作者。
钠电池过渡金属层状氧化物（NaTMO2）因具备高能量密度且适合大规模制备的优势，成为钠电池极具潜力的正极材料之一。其中，P2型氧化物正极因结构中含有“Na–O–空位”“Na–O–Li”或“Na–O–Mg”的特殊构型，可实现氧阴离子氧化还原，从而进一步提升正极的能量密度。然而，当氧氧化还原化学被触发时，材料结构中Na+的大量脱嵌会引发结构不可逆相转变，导致材料电化学稳定性下降。近年相关研究表明Ti、Mg、K等阳离子掺杂可以有效抑制晶体从P型堆叠转变为O型堆叠，在整个充放电过程中维持P2结构，从而提升材料的结构稳定性与长循环充放电寿命。然而，阳离子掺杂策略调控P2型氧化物正极材料结构稳定性的普适规律仍不明确，无法通过单一的模型预测P2型层状氧化物正极的相转变过程，难以精准优化掺杂元素组分构筑高性能P2型正极材料。
针对P2型正极中阳离子掺杂策略长期依赖于经验试错、缺乏统一物理描述符指导等问题，团队探究了掺杂阳离子本征属性与P2型正极相转变行为之间的普适性关联，通过“阳离子势”这一参量，将相转变过程与层状正极的本征属性结合，绘制了“阳离子势”相图，并利用相图揭示了阳离子不同掺杂位点调控相转变过程的内在机制。相图表示了抑制P2型层状正极相变的两种核心路径：其一是提升碱金属层阳离子势（ΦAM）以增强AM层相互作用；其二是提升过渡金属层阳离子势（ΦTM）以增强TM层相互作用。通过AM位掺杂增强O−AM−O来屏蔽层间排斥力，或通过TM位引入强离子势元素压缩d(O−TM−O)，均可作为抑制P2型正极相变的有效策略，也是“阳离子势”相图所表达出的阳离子掺杂策略的“设计准则”。
该研究不仅建立了从“阳离子本性”到“结构相变”的预测模型，解决了以往难以通过单一参数预判元素掺杂对性能提升作用的关键科学问题，更为精准优化元素组分并抑制高电压下不可逆相转变提供了全新的理论设计准则。
该研究工作得到了重点研发计划储能专项（青年科学家项目）和国家自然科学基金的资助。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202521162
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