研究人员在纳电领域获新进展

锂离子电池具有高能量密度和长寿命等特点，被大量应用于便携式电子设备和电动汽车。然而，锂矿资源具有稀缺性且长期受地缘政治影响，造成其市场波动较大，不利于推动能源设备的改革。

因此，人们开始考虑将钠离子电池作为锂离子电池在大规模储能领域的重要补充。钠离子层状氧化物是目前最受瞩目的钠电正极材料。然而，高空气敏感性问题限制了钠离子层状氧化物正极材料的成本优势。与空气接触时，钠离子层状氧化物表面会迅速反应形成杂质，使部分钠失去电化学活性。此外，这些杂质在电池工作过程中可能会分解产气从而引发安全危机。

近日，北京大学深圳研究生院的科研团队联合宁德时代21C实验室团队，在《美国化学会志》上发表最新研究成果。

他们利用密度泛函理论计算和ab-initio分子动力学模拟系统地研究了空气分子与NaMn1/3Fe1/3Ni1/3O2（NMFNO）层状正极材料表面的化学反应过程，并解释了钠离子层状氧化物的空气稳定性普遍比锂离子层状氧化物差的原因。

该研究指出，MFNO空气稳定性差的原因包括非活性表面的占比低、强表面吸附性和高表面反应活性、表面钠离子的不稳定性。其中，高表面反应性源于表面氧活性位点的电子损失和未配对电子增加，以及强金属共活化作用。

虽然表面氧活性位点和金属活化对杂质的形成是必不可少的，但作者发现水解反应和碳酸盐的形成，对反应环境的要求并不完全相同。水解反应需要表面氧活性位点具有较高反应活性，因此，作者采用具有空轨道的高价过渡金属或者阴离子取代以降低其反应活性。

在碳酸盐形成过程中，碳杂化模式的转变主要依赖于金属活化作用，甚至不需要表面氧活性位点的参与，于是作者构建了缺钠的表面构型以削弱金属活化作用。此外，晶粒形貌调控以减少反应活性表面也是抑制空气敏感性的可行策略。作者强调，这些策略可以组合使用以提高改进效果。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c05255