image: 该研究提出利用可逆阴离子氧化还原与固溶体化学策略，解决实用化O3型钠电层状氧化物正极在高电压下的结构不稳定性问题。该策略完全消除了4.1 V以上发生的有害P3→O1相变，实现近零晶格应变。所制备材料在4.3 V高电压下展现出优异的电化学可逆性、出色的倍率性能以及良好的空气稳定性。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
在该研究中，研究人员利用地壳高丰度元素，设计出低成本 O3 型正极材料 FMT，实现了多项性能突破。铁、镁、钛三种元素协同作用，构建了高效调控体系：铁替代部分镍、锰参与电荷补偿，有效抑制高电压下的结构崩塌；镁形成 Na–O–Mg 结构，激活可逆氧氧化还原反应；钛通过强 Ti–O 共价键稳定晶格氧，抑制复杂相变并诱导固溶体反应。
该协同设计成功解决了传统 O3 型正极面临的核心难题，实现了高度可逆的氧氧化还原，有效抑制氧流失与正极劣化，消除了有害的 P3→O1 相变，使材料在 4.1 V 以上仍可稳定工作。该材料还具备近零晶格应变与快速钠离子扩散特性。与原始NaNi0.5Mn0.5O2正极相比，FMT 在循环稳定性、倍率性能和空气稳定性方面均表现更优。
这一突破攻克了高电压 O3 型层状氧化物实用化的关键瓶颈，建立了全新的正极材料设计范式。
张献明教授表示：“这项研究为高能量密度、长寿命、可规模化钠离子电池的研发提供了重要支撑，将加速钠离子电池在大规模储能领域的产业化应用，助力新能源产业高质量发展。”