温州大学肖遥教授团队：基于多功能结构调制策略实现空气稳定、高能量密度的单晶钠离子电池层状氧化物正极

温州大学肖遥教授团队通过多功能结构调制策略设计了一种单晶正极材料P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂，并将其应用于钠离子电池。研究结果表明，该材料表现出高能量密度、优异的空气稳定性以及高度可逆的相转变过程与稳定的阴离子氧化还原行为。

P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂是一种典型的钠离子电池层状氧化物正极材料，其独特的结构可为钠离子提供快速传输通道与较低扩散势垒，因此得到了众多研究者的关注。然而该材料也面临一些问题，例如复杂的多相演变以及不可逆的阴离子氧化还原过程，严重影响了它的电化学性能。因此，迫切需要开发有效途径对该材料进行改性以提高其实用性。

最近，在温州大学碳中和研究院平台支持和侴术雷教授的悉心指导下，肖遥教授团队通过钛元素取代实现了多功能结构调制，成功设计了一种结构稳定、尺寸为10 μm左右的单晶正极材料P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂。采用接触角测试来验证样品的空气稳定性，对比发现该材料的接触角更大（图1a,b）。值得注意的是，经过15天的老化（暴露于湿空气中），该材料的晶体结构可以保持完整，XRD测试结果显示几乎没有其他杂相生成（图1c）。为了进一步观测材料在充放电过程中的结构变化，利用原位XRD测试分析得出该材料经历了一个高度可逆的相转变（P2-OP4），并实现了稳定的阴离子氧化还原过程（图1d,e）。该材料不仅表现出高能量密度和良好的循环性能，且进一步改善了钠离子传输动力学。

图1. 空气稳定性测试：(a, b) P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂和P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂材料的接触角测试，(c) P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂材料老化（暴露于湿空气中）前后的XRD图谱；P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂正极在充放电过程中的结构演变：(d) 原位XRD图谱；(e) 主要特征衍射峰的三维图。

同时，肖遥教授团队用先进的原位表征和电化学分析技术深入分析了该材料的形成过程、电化学行为、结构演变和空气稳定性机理。这些研究揭示了结构、功能和性能三者之间的联系，为开发可实际应用的高性能钠电层状氧化物正极材料提供了新的见解。

该论文的第一作者是硕士研究生刘益峰，共同通讯作者为湖南农业大学吴雄伟教授，温州大学侴术雷教授、朱燕芳教授和肖遥教授。详见：Yi-Feng Liu, Hai-Yan Hu, Jia-Yang Li, Hongrui Wang, Yi Zhao, Jingqiang Wang,Yuan-Bo Wu, Yan-Jiang Li, Guang-Yu Zhang, Qing-Qun Sun, Yan-Fang Zhu*, Rui-Ren Tang, Xiong-Wei Wu*, Jia-Zhao Wang, Shi-Xue Dou, Shu-Lei Chou*, Yao Xiao*. An air-stable single-crystal layered oxide cathode based on multifunctional structural modulation for high-energy-density sodium-ion batteries. Sci. China Chem., 2024, DOI: 10.1007/s11426-023-1891-4. 本文将收录于2024 Emerging Investigator Issue.

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【第一作者简介】

刘益峰，中南大学硕士研究生，导师唐瑞仁教授。中南大学和温州大学联合培养硕士，合作导师肖遥教授。研究方向为钠离子电池层状氧化物正极材料的界面化学与结构基元调控。

【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常务副院长。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，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。目前，已发表SCI论文80余篇，以负责人主持国家级项目、浙江省自然科学基金、温州市重大攻关项目、教育部产学合作以及国家/教育部重点实验室等科研项目十项。同时担任温州大学与Wiley出版社合办的高质量期刊《Carbon Neutralization》执行编辑以及高起点SCIE期刊《Carbon Energy》、《InfoMat》、《eScience》、《Exploration》等期刊的青年编委。

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