Zn取代的P2-Na_2/3MnO₂低应变储钠正极材料

由于钠资源丰富、价格低廉等优点，钠离子电池近年来一直受到研究者们的广泛关注。开发具有高能量密度，长循环寿命的电极材料是钠离子电池应用的关键。过渡金属层状氧化物是一类重要的正极材料，其理论容量较高且易于合成，是研究最为广泛的正极材料之一。然而大多数层状氧化物在充放电过程中表现出复杂的相变行为，且往往伴随着较大的体积变化。由此产生的巨大的结构应力，导致了电极材料结构的坍塌和性能的衰减。因此，抑制充放电过程中的不可逆相变，提高材料的结构稳定性，是改善层状氧化物正极材料循环稳定性的关键因素之一。

武汉大学曹余良教授和香港城市大学刘奇博士设计合成了Zn取代的P2-Na_2/3MnO₂正极材料。研究发现，原始P2-Na_2/3MnO₂材料在充电过程中随着钠离子的脱出，发生P2到O2的相变，该过程伴随着晶胞参数和体积的巨大变化。而Zn取代后的P2-Na_2/3Zn_1/4Mn_3/4O₂材料，在充放电过程中只发生较小的晶格扭曲，体积变化较大的P2-O2转变得到明显抑制。计算得到在充放电过程中其体积变化最大仅1.0%，晶胞参数c变化仅为0.8%，说明Zn取代能抑制不可逆相变，降低材料的结构应力，提高其结构稳定性。相应地，材料的循环稳定性（50周）从44%提高到67%。同时，Zn取代诱导了晶格中O的氧化还原反应，提高了材料的可逆容量和平均工作电压。另外，研究显示O的容量贡献与Zn的含量之间存在一定的正相关性。该研究表明通过调节离子取代的量可以调控得到具有较高稳定性和较高容量的层状氧化物正极材料。

材料领域权威期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）报道了相关结果（DOI: 10.1002/adfm.201910327）。

论文题目为Ultralow‐Strain Zn‐Substituted Layered Oxide Cathode with Suppressed P2–O2 Transition for Stable Sodium Ion Storage，共同第一作者为武汉大学博士生王艳霞和香港城市大学博士后王利光，通讯作者为曹余良教授和香港城市大学刘奇博士。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910327