IT 之家 8 月 21 日消息，燕山大學于 8 月 19 日發布新聞稿，表示和中科院物理所合作，在鈉離子層狀氧化物正極材料中取得重要進展，相關研究成果發表于《科學》雜志上。
團隊介紹
黃建宇教授帶領燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室團隊，和中國科學院物理所、長三角物理研究中心研究團隊展開合作，在《科學》雜志上發表相關成果，中國科學院物理研究所博士生楊佯、燕山大學博士畢業生王在發爲論文第一作者。
項目背景
層狀氧化物正極材料，以其卓越的高容量和可規模化生産特性，在锂離子電池和鈉離子電池領域占據了舉足輕重的地位。
得益于鈉資源的廣泛可得性，以及在過渡金屬元素選擇上的高靈活性 —— 無需依賴昂貴的钴和鎳，而可以采用成本效益更高的鐵和銅作爲替代，鈉離子層狀氧化物正極材料展現出了顯著的成本效益。
然而，此類材料的空氣敏感性已困擾鈉離子層狀氧化物正極材料研究界超過四十年，成爲其商業化進程中亟待克服的重大障礙。
項目研究成果
研究團隊指出打破氣體間的耦合作用是實現材料穩定存儲的關鍵外在因素。
酸性降解和氧化降解的定量化以及本征空氣穩定的鈉離子層狀氧化物正極材料的開發設計原則項目團隊供圖
團隊通過以廣泛研究的 NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM111）作爲模型材料，擴展至其同系物，結合使用原位環境氣氛透射電鏡、同位素标記法、二次離子質譜、中子散射、同步輻射 X 射線吸收譜等先進表征方法，發現水蒸氣、二氧化碳或者氧氣單獨存在時并不會引發顯著的劣化反應，挑戰了這三種氣體（尤其是水蒸氣）單獨即可引發劇烈劣化反應的傳統觀點：
水蒸氣在劣化過程中起到關鍵性的橋梁作用，可以将二氧化碳和氧氣與材料聯系，分别引發酸性降解和氧化降解。
其中，酸性降解将引發劇烈的 Na+/H + 交換，在材料表面形成碳酸鈉或碳酸氫鈉，同時還将引發裂紋拓展生長、晶格扭曲、位錯産生和強酸性情況下的表面過渡金屬離子還原和重構等後續反應；
氧化降解中，體相中氧化物氧化還原電位較低（距離費米能級較近）的過渡金屬離子将優先被氧化，同時釋放出鈉離子到表面以平衡電荷，被氧化的過渡金屬離子（Ni3+）在表面通常不穩定，容易被還原從而引發表面重構。
同時，研究團隊還開發了一種基于滴定氣相色譜技術的标準化空氣穩定性測試方法，用以定量評價不同反應路徑的貢獻和不同材料的空氣穩定性。
根據 30 餘種材料劣化後鈉損失量的定量結果及前期研究成果，綜合各組成的離子勢和初始鈉含量，定義了陽離子競争系數 η，并發現：
酸性降解主導了大多數材料的劣化反應；
通過減小陽離子競争系數和增大材料粒徑大小可以有效提升材料的抗酸能力；
通過選擇高電位的氧化還原對可以有效提升材料抗氧化能力主要因素。
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