温州大学肖遥团队综述：钠离子电池层状氧化物正极材料的微观结构设计、局域化学调控和结构基元构筑

层状氧化物正极材料兼顾高比容量、合成工序简易、环境友好等优点，在钠离子电池正极材料中应用前景广阔。然而由于层状氧化物仍存在钠离子传输动力学缓慢、相变复杂和空气稳定性差等关键科学问题，导致其产业化的进程受到阻碍。

温州大学碳中和研究院肖遥团队回国独立开展工作以来，在侴术雷教授的悉心指导和碳中和研究院平台的支持下，围绕钠离子电池层状氧化物正极材料关键核心问题，在基础研究与产业化应用取得了重要进展。不仅设计了一系列尖晶石和层状P2/P3复合异质结构，通过化学元素取代策略实现了可控的多相动态结构演化的精准调控（Cell Rep. Phy. Sci. 2021, 2, 100547），而且借助应变工程策略促进三相异质共生结构层状氧化物正极材料的相转变，进一步提高了电化学性能（Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2201511）。同时，通过设计化学成分和调控相应的电子结构，从而精确操控了过渡金属和氧原子之间轨道杂化以调节氧化还原电位，成功构建了一种反常高电压O3型层状氧化物正极材料（Cell Rep. Phy. Sci. 2021, 2, 100631）。在此基础上，通过局域化学与能级轨道杂化调控定制化构筑了P2/O3异质结构层状氧化物正极材料用于高倍率长循环性能钠离子电池（Adv. Mater. 2022, 34, 2202695）。此外，通过设计具有不同比例的层状正极材料去揭示晶面方向暴露比例对结构衰减的影响，为层状氧化物材料的晶面结构设计提供了理论基础(Carbon Energy 2022, doi: 10.1002/cey2.298)。同时，系统总结了表界面化学工程用于钠离子电池层状氧化物体系的研究进展，并提出了表面残钠转化同时实现体相梯度渗透掺杂的新概念(Carbon Neutralization 2022, 1, 96-116）。更进一步，总结了尖晶石/后尖晶石工程用于氧化物体系的研究进展，尤其聚焦在后尖晶石结构、层状氧化物集成尖晶石结构以及尖晶石相转变过程，为高性能钠离子电池的设计提供指导（eScience 2021, 1, 13-27）。在此研究基础上，提出了基于原位尖晶石界面重构的表面晶格匹配工程的概念，并实现了尖晶石结构对P2/P3异质结构的层状氧化物正极的材料精准界面调控（Adv. Funct. Mater. 2023, doi: 10.1002/adfm.202213215）

近日，基于以上研究工作基础，肖遥教授团队撰写了题为“Layered oxide cathodes for sodium-ion batteries: microstructure design, local chemistry and structural unit”的综述文章，通过基于从宏观到微观的研究思路，详细总结了微观结构设计、局域化学调控和结构基元构筑等三个不同维度的钠基层状氧化物性能优化策略。基于由宏入微思路的考量，文章首先介绍了微球、纳米片、纳米线以及暴露活性晶面等微观结构设计方法,回答了如何有效克服钠离子传输动力学缓慢这一难题。而后步入微观视角，总结了通过对局部微观环境进行本征电子/离子调控以改善材料的物理化学性能的局域化学策略。该部分在应力工程、阴离子氧化还原和本征结构调控三个方面着重介绍了克服复杂相变、空气稳定性等难题以及提升材料电化学性能的方法。最后一部分深入到微观原子层面，提出“基因工程”式的结构基元构筑策略。强调通过对微观结构的精确设计，达到从本质上操纵材料性能的目标。该论文将对未来层状氧化物的优化策略提供新的研究思路，开启从不同维度调控层状氧化物正极材料物化性能的新方法，也将为实现钠基层状氧化物正极材料产业化而助力。

图1. 钠离子电池层状氧化物正极材料：微观结构设计、局域化学调控、结构基元构筑

论文第一作者为温州大学2022级硕士研究生孔令益和刘含笑，通讯作者为肖遥、侴术雷和朱燕芳教授。详见：Lingyi Kong, Hanxiao Liu, Yanfang Zhu, Jiayang Li, Yu Su, Hongwei Li, Haiyan Hu, Yifeng Liu, Mingjing Yang, Zhuangchun Jian, Xinbei Jia, Shulei Chou, Yao Xiao. Layered oxide cathodes for sodium-ion batteries: microstructure design, local chemistry and structural unit. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-022-1550-2.

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【通讯作者简介】

肖遥 温州大学瓯江特聘教授，温州大学碳中和技术创新研究院副院长。曾任新加坡南洋理工大学博士后研究员，入选国家博士后创新人才支持计划，温州市高层次人才计划，一直从事先进新能源二次电池关键材料的研究与开发。从2014年7月至2021年7月分别在四川大学钟本和教授/郭孝东教授课题组，中国科学院化学研究所郭玉国研究员课题组，以及新加坡南洋理工大学陈晓东院士课题组研究钠离子电池层状氧化物正极材料动态结构演变，可控相变机制，局域化学与能级轨道调制以及结构基元操控等方面工作。

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