近日，上海科技大學物質科學與技術學院許超課題組在O3相鈉離子電池陰離子氧化還原正極材料方向取得重要進展，研究成果以“Enabling the synthesis of O3-type sodium anion-redox cathodes via atmosphere modulation”為題在國際期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上在線發表。
 

　　隨著全球對高能量密度電池材料需求的急劇增長，新型儲能材料的探索已成為能源領域的關鍵研究方向，其中，具有陰離子氧化還原活性(OAR)的鈉離子電池正極材料因其優異的比容量特性而備受關注。然而，O3相OAR鈉離子正極材料的研究卻相對滯后，這主要是由于其合成工藝復雜、反應機制不清晰，以及現有合成方法重現性差等。
 

　　針對上述科學挑戰，許超教授課題組創新性地運用多種同步原位表征技術，首次系統揭示了氣氛條件(特別是氧含量)在O3相OAR鈉離子正極材料合成過程中的關鍵調控作用。研究人員以O3-Na[Li1/3Mn2/3]O2體系為模型，通過精確控制實驗條件，證實了低氧環境是成功合成的必備條件。研究同時發現，合成過程中存在多次氧氣吸收-釋放的動態平衡，并伴生了多種中間相的生成與轉化，充分展現了該體系的反應復雜性(如圖1所示)。
 

圖1: O3-Na[Li1/3Mn2/3]O2合成的原位表征。
 

　　基于對O3-Na[Li1/3Mn2/3]O2合成機理的深入理解，研究團隊提出了一種創新的動態氣氛調節(DCA)合成策略。該方法已成功應用于一系列Ti摻雜材料的可控合成，所獲得的材料表現出優異的高比容量可逆性(~190 mAh g-1)(如圖2所示)。這項突破性研究不僅首次闡明了O3相OAR鈉離子正極材料復雜的合成機理，更為未來高性能儲能材料的設計與開發提供了重要的方法學指導和技術支撐。
 

　　圖2: Ti摻雜NaLi1/3Mn2/3-xTixO2 (x = 1/18、1/9和1/6) 的結構和電化學性能。
 

　　本項工作中，上海科技大學物質學院2022級博士研究生仇奕霄、2023級碩士研究生劉沁哲和2021級碩士研究生陶江偉為共同第一作者，上海科技大學許超教授、中國科學院大學倫正言教授與南京大學王景陽教授為本文的共同通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。