研究人員在納電領域獲新進展

鋰離子電池具有高能量密度和長壽命等特點，被大量應用于便攜式電子設備和電動汽車。然而，鋰礦資源具有稀缺性且長期受地緣政治影響，造成其市場波動較大，不利于推動能源設備的改革。

因此，人們開始考慮將鈉離子電池作為鋰離子電池在大規模儲能領域的重要補充。鈉離子層狀氧化物是目前最受矚目的鈉電正極材料。然而，高空氣敏感性問題限制了鈉離子層狀氧化物正極材料的成本優勢。與空氣接觸時，鈉離子層狀氧化物表面會迅速反應形成雜質，使部分鈉失去電化學活性。此外，這些雜質在電池工作過程中可能會分解產氣從而引發安全危機。

近日，北京大學深圳研究生院的科研團隊聯合寧德時代21C實驗室團隊，在《美國化學會志》上發表最新研究成果。

他們利用密度泛函理論計算和ab-initio分子動力學模擬系統地研究了空氣分子與NaMn1/3Fe1/3Ni1/3O2（NMFNO）層狀正極材料表面的化學反應過程，并解釋了鈉離子層狀氧化物的空氣穩定性普遍比鋰離子層狀氧化物差的原因。

該研究指出，MFNO空氣穩定性差的原因包括非活性表面的占比低、強表面吸附性和高表面反應活性、表面鈉離子的不穩定性。其中，高表面反應性源于表面氧活性位點的電子損失和未配對電子增加，以及強金屬共活化作用。

雖然表面氧活性位點和金屬活化對雜質的形成是必不可少的，但作者發現水解反應和碳酸鹽的形成，對反應環境的要求并不完全相同。水解反應需要表面氧活性位點具有較高反應活性，因此，作者采用具有空軌道的高價過渡金屬或者陰離子取代以降低其反應活性。

在碳酸鹽形成過程中，碳雜化模式的轉變主要依賴于金屬活化作用，甚至不需要表面氧活性位點的參與，于是作者構建了缺鈉的表面構型以削弱金屬活化作用。此外，晶粒形貌調控以減少反應活性表面也是抑制空氣敏感性的可行策略。作者強調，這些策略可以組合使用以提高改進效果。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c05255